Návrat na detail prednášky / Stiahnuť prednášku / Univerzita Komenského / Prírodovedecká fakulta / Ekologia

Eko 12 (ekologia_12.doc)

Ekológia 12

Biosféra

Soubor všech ekosystémú na Zemi se nazývá biosféra. Biosféra je z ekologického hlediska pojímána jako nejširší uspofádání, které zahrnuje tu část obalu planety Zeme, jejíž struktura, složení a energetické pomery jsou podmínény činností živých organismú. Zahrnuje atmosféru do výšky cca 20 km, celou hydrosféru (nejvétší hloubka 11 km) a litho sféru do hloubky cca 5 km.

Biogeochemické cykly

Živou hmotu organismú tvorí v podstate 6 hlavních prvku: H, C, O, N, S, P. Jejich protonové číslo nepresahuje 16.

Na tvorbe života se podílí dále vétšina prvku s protonovým číslem < 30 (napr. Cu, Na, K, Ca, Mg, Cl). Tyto esenciální prvky jsou uloženy v základních zásobnících:atmosféra, hydrosféra, litosféra) => odtud cirkulace do biotiky a zpét. Patrí sem pŕedevším cykly uhlíku, kyslíku, vody, dusíku, fosforu, síry a biogenních kationtú + kontaminujících prvku Hg, As, Hg a Cd.

Transport biogenních i ostatních chemických látek probíhá dvéma cestami - cykly (Ovington, 1968): biotickým cyklem a geochemickým cyklem, které se propojují jako biogeochemický cyklus - vyjádrení skutečnosti, že cirkulace určitého prvku se odehrává pomocí abiotického i biotického prostredí - prvek pŕechází pŕes anorganické i organické složky, z abiotického prostredí do organismú a zpét.

Pro funkci ekosystému má vétší význam rychlost kolobehu než množství živin, z obsahu živin je významná pouze jejich

ekologicky dostupná část.

Kolobeh prekursorú v atmosfére

prekursory - základní zdroje stavebního materiálu

Vlastní aktivní část biogeochemického cyklu je výmenný zásobník, kde dochází k rychlé výmene mezi organismy a jejich bezprostŕedním okolím. Cykly neprobíhají vždy pravidelné - múze nastat i období stagnace, cyklus se múze dočasné docela zastavit (dojde napr. k nahromadení organické hmoty, prvky se v tomto stadiu zdrží nékdy na velmi dlouhá období. Stagnaci vyvolává zejména proces sedimentace pevných částic, tvorba ložisek fosilních paliv.

Podle základního zásobníku existují 3 typy biogeochemických cyklu:

1.                        hydrologický typ - základním zásobníkem je hydrosféra, patrí sem velký a malý

kolobeh vody

2.                          plynný typ - základním zásobníkem je atmosféra, napr. O, C, N, dlouho platilo, že tyto cykly jeví obecné malé zmeny v rozložení a množství prvku, jsou ovládány samoregulačními (homeostatickými) mechanismy, dnes silné ovlivnéno antropogenními vlivy.

3.                          sedimentární typ - základním zásobníkem je lithosféra, cykly napr. P, S. Tyto prvky se z lithosféry uvolňují zvetráváním, jsou jen nepatrné ovládány samoregulačními mechanismy, mají pŕirozenou tendenci stagnovat.

Kolobeh vody

Celkové množství na Zemi je 1400 miliónu km3, z toho 97% je v oceánech, všechna voda pŕichází z oceánu a dŕíve nebo pozdéji se tam vrací v kontinuálním cyklu vody. Cyklus je uvádén do chodu sluneční energií, která zpúsobí vyparování vody (tedy zmenu jejího skupenství).

Velký kolobeh vody probíhá v rámci celé atmosféry, z oceánu je to v objemu cca 450 000 km3/rok, z toho 90% spadá ve forme srážek zpét do oceánu (405 000 km3), jen 10% je zahnáno vzdušnými proudy nad kontinenty (45 000 km3).

voda je pŕenášena ve forme mraku => páry jsou ochlazeny na srážky => srážková voda je absorbována púdou nebo odtok po povrchu.

Malý kolobeh vody, část vody vázána biotikou, probíhá v rámci krajiny nebo vétších vyčlenených zemepisných celku.

Povrchové a podzemní vody jsou nutné pro existenci pevninských ekosystémú. Voda se vždy účastní ostatních biogeochemických cyklu.

Kolobeh uhlíku

Základním zásobníkem pro kolobeh uhlíku je atmosféra. Zdroje uhlíku v prírode jsou četné a rozmanité, avšak východiskem výstavby živé hmoty, je pouze:

plynný CO2 v atmosfére (0,03% - cca 700 miliard tun)

uhlík rozpustený ve vode ve forme kyselých uhličitanu nebo prítomný jako volný CO2 ve vode.

Rostliny uhlík fixují ve fytomase asimilací a pŕedávají v trofických ŕetézcích dále, živočichové včetné bakterií + nezelené rostliny jej uvolňují disimilací.

Nutno pŕipomenout, že rovnovážné množství atmosférického CO2 se ustavuje vazbou části CO2 ve svetových oceánech, kde se CO2 zčásti rozpouští a pak váze do uhličitanu nebo hydrogenuhličitanové (-HCO3) formy, tvorí slabé disociovanou kyselinu uhličitou H2CO3 (=> H+ + HCO3-). Stále významnejší jsou antropogenní kontaminující zdroje, plynné emise vznikají pri spalování fosilních paliv, rozkladem biomasy (oxidace organických látek až na CO2, napr. pri intenzivní orbe - dýchání pudy). Doplnkový uhlík je do atmosféry dodáván rovnéž ze sopečné činnosti.

Vlastní kolobeh uhlíku

CO2 se mení v autotrofních organismech (= zelených rostlinách) fotosyntézou v sacharidy:

chlorofyl + záŕení + CO2 + H2O <=> sacharidy + O2 + H2O

fotosyntéza = asimilace <=> dýchání = disimilace, patrí sem i horení, tlení...

potrebný vodík se získává fotolyticky z vody, z níž se pak zbylý kyslík uvolňuje rovnéž do atmosféry, dalšími biosyntézami pak vznikají proteiny a lipidy, vzniká stavební materiál pro zelené rostliny, které jsou dále potravou pro heterotrofní živočíšné konzumenty => fixace uhlíku v organismech.

opačný pochod k fotosyntéze je dýchání (obecné respirace = dýchání + dekompozice), všechny živé aerobní organismy dýchají, tj. prijímají O2 a vydechují CO2 do atmosféry

po smrti odumŕelé organismy jsou rozkládány a remineralizovány tzv. rozkladaci (= saprofyty), v trofických ŕetézcích téchto mikroorganismú se uhlík dostává opét do atmosféry ve forme CO2, návratem do atmosféry je ukončen cyklus uhlíku

Když se odumŕelé organismy a zbytky rostlin nahromadí bez rozkladu, mohou cyklus uhlíku zpomalovat:

zpomalení cyklu uhlíku nastává zvlášté v rúzné mocných vrstvách humusu, v némž procesy rozkladu probíhají pomalu - prípad mykogenního humusu, púdní saprofyti nefungují dostatečné výkonné napr. pri nedostatku vzduchu, dusíku, pri nízkém pH, pŕ. rašeliništé - i 20 metru do hloubky => stagnace cyklu uhlíku

ukládání organismú na dne stojatých vod umožňuje činnost vodních sapropelitú => vznik sapropelního bahna, z néhož za fermentačních pochodu unikají plynné produkty: CH4, H2S, NH3, H2, CO2 a bahno se obohacuje o S, N a hlavné C (uhlík).

Pokračuje-li rozklad morského zooplanktonu => vznik ropy - tj. úplná stagnace cyklu C, pokračuje-li rozklad rostlinných zbytku => vznik uhlí (za spec. podmínek už v nevodném prostredí)

ropa = komplex alifatických, alicyklických a aromatických uhlovodíkú ve všech skupenstvích, v kapalných uhlovodících jsou rozpusteny uhlo vodíky plynné a pevné

obsah C = 82-87%, H = 15%.

V prípade humusu i ropy vznikají z odumŕelých rostlinných a živočíšných částí obsahujících rúzné minerální látky, zústávají tyto látky v humusu (vétšinou ve forme hydroxidú) => dochází k jejich zakoncentrování: prvky Au, Ag, Zn, Cd, Pb, As, Mn, Co, Ni, Hg, pokud vzniklo z tohoto humusu uhlí, pak najdeme tyto prvky v jeho popelu, stejná situace v prípade ropy, pri spalo vání fosilních paliv -emise a imise téchto prvku do atmosféry, pŕ. ročné se uvolní spalováním uhlí 3000 tun Hg do atmosféry, z ropy 1600 tun.

Kolobeh kyslíku

- zrcadlový déj k cyklu uhlíku, úzce s ním souvisí, jak je zrejmé z rovnice fotosyntézy (viz cyklus uhlíku), cyklus kyslíku prodélal v prúbéhu geologických epoch hluboké zmeny, dúsledkem téchto zmén je nynéjší složení atmosféry (21% O2).

Atmosférický kyslík vzniká fotosyntézou autotrofních organismú = primárních producentú, zelených rostlin, sinic a ŕas. Spotrebovává se respiračními (= dýchacími) a dekompozičními pochody. Dýchání je rozkladný proces, kterým organismy získávají energii. V respiračním smeru kyslík využívají k dýchání všechny živé aerobní organismy - tj. konzumenti, transformátoŕi i producenti (nutno si uvédomit, že i zelené rostliny v noci dýchají).

reoxidace = spotreba kyslíku se deje i spalováním (pŕ. lesní požáry). Jedna z možností, jak získat O2, aniž by byl spotŕebován na respiraci, je zadržení príslušného množství uhlíku v ekosystému (tj. zablokovat rozklad organické hmoty) => C se múze hromadit v humusu, rašeline, saprofytní hmote - ty se mohou v geologických epochách pŕeméňovat v oleje, kerogen nebo ropu... a zústat blokovány pod minerálními vrstvami = dlouhodobé zadržení C => nárust O2 v atmosfére.

Cyklus kyslíku prodélal v prúbéhu geologických epoch hluboké zmeny, v dobé vzniku života - zemská atmosféra prakticky bez kyslíku (a tedy i O3), takže první organismy mohly žít jen základe anaerobní fermentace. První kyslík se uvolňoval pri fotolýze vody. Nejprve se musely objevit fotosyntetizující organismy, sinice, které dokázaly využít fotolýzu vody => spotŕebovávaly vzniklý vodík a do ovzduší se tím uvolňovala značná množství kyslíku - ve vode probíhala fotosyntéza => vznik organického materiálu.

Rúzné etapy vývoje biosféry souvisejí úzce s vývojem kyslíkového cyklu:

Na počátku žily prvotní organismy, které uvolňovaly kyslík ve vode, protože jen tam byly chráneny vúči krátkovlnnému ultrafialovému záŕení - byli to prokaryonti (bezjaderné sinice).

Koncentrace kyslíku ve vzduchu musela dosáhnout asi 1%, aby ve stratosfére došlo k velmi dúležité reakci částí kyslíku => vznik ochranné ozonové vrstvy, odstínéní krátkovlnného UV záŕení (< 290 nm), které bylo pro život zhoubné => umožnení aerobního života na souši pro eukaryonty (živočichové s jadernými bunkami).

1% v atmosfére = tzv. Pasteurúv bod - za ním mohly organismy (tehdy šlo hlavné o mikroorganismy) ménit svúj metabolismus z fermentačního na oxidační.

Kolobeh síry

základním zásobníkem pro cyklus síry je lithosféra (pedosféra). Síra cirkuluje v biosfére ve forme H2S, SO2 (hlavní sloučenina síry cirkulující mezi pevninami a oceány), SO3 a SO42- + organické sloučeniny síry, oxidované formy se redukují a naopak.

Síra je z pudy ve forme rozpustných síranu absorbována koŕeny rostlin, v rostlinách múze pak probéhnout redukce na sulfidy, které mohou být využity k syntéze sirných aminokyselin (cystein, methionin) a sirných heteroglykosidú a enzymú, s rostlinnou potravou, v níž jsou tyto sirné sloučeniny obsaženy se pak síra dostává do metabolismu živočichú, po odumŕení organismú (rostlinných i živočíšných) - organicky vázaná síra je uvolňována četnými specifickými mikroorganismy - vétšinou je prevedena na H2S, který uniká do atmosféry nebo do vodného prostredí, poté múze nastat oxidace H2S na elementární síru nebo až na SO2, uniká do atmosféry nebo se rozpouští ve vode, kde je asi 50× rozpustnéjší než CO2.

Antropogenní kontaminací životního prostredí dochází ke zmenám - v nynéjší dobé téméŕ 2/3 atmosférického SO2 pocházejí z antropogenních emisí -> z toho dúvodu se nyní globální kolobeh síry stále více pŕesouvá do atmosféry (tzn. základním zásobníkem síry začíná být atmosféra)!

V ovzduší se SO2 částečné oxiduje na SO3 - oxidace katalyzována kovovými ionty na prachových částicích ve vzduchu (Fe2+, Mn2+, W6+...). SO3 reakcí s H2O pŕechází na H2SO4, současné ze zbylého SO2 vzniká H2SO3, obvykle je jí tam dokonce víc. Ve forme kyselého aerosolu pŕecházejí obe kyseliny do pudy (kyselé dešté), kde vytváŕejí své rozpustné soli, do pudy se síra múze dostat i rozpadem matečných hornin obsahujících síru - pyrit FeS2, chalkopyrit CuFeS2 -pŕímým rozkladem organické hmoty rostlin.

Kolobeh dusíku

Dusík se v atmosfére vyskytuje jako inertní dvouatomový plyn N=N v množství 78,9%. Prvek s pomerné rozmanitými vazebnými možnostmi => rada rázných chemických sloučenin, dusík je 4. nejpočetnéjší prvek obsažený v biomase (po C, H, O)

Rostliny pŕijímají dusík pouze v anorganické forme jako rozpustený dusičnan NO3- nebo jako amonné ionty NH4+.

Atmosférický dusík pŕevádén na dusičnany v podstate dvéma zpúsoby:

1.fyzikálne chemicky - pŕedevším elektrickými výboji pri bouŕích (sloučení N2 a O2 za vysokých teplot asi 1000 °C => NO3- => srážkami se dostávají do pudy). Tímto zpúsobem vznikají i antropogenní emise pri spalovacích procesech.

2.biologickou fixací - hlavní zpúsob cesty N2 do cyklických dejú, pro biologickou fixaci je nutné porušení trojné vazby v molekule dusíku, vazba múze být narušena enzymem nitrogenázou, kterou obsahují nékteré púdní bakterie, sinice a aktinomycety.

bakterie - aerobní bakterie s pŕímým príjmem vzdušného dusíku - napr. kmen Azotobacter, dusík mohou vázat i anaerobní bakterie - napr. kmen Clostridium. V této aktivite - nejúčinnéjší bakterie žijící v symbióze s vikvovitými rostlinami v hlízkách na koŕenech, napr. jetel, vikev, vojtéška... V prítomnosti Mo jako katalyzátoru a v prítomnosti zvláštní formy hemoglobinu (u rostlin mimoŕádný jev) fixují (váží) tato rhizobia (= společenství bakterií).

Další zpúsob, jak se dusík dostává do pudy

Mineralizace odumŕelé organické hmoty

lithosféra není púvodním zdrojem sloučenin dusíku, jde o prevod dusíku z organických sloučenin (zejména bílkovin) do anorganické formy.

mineralizace - pomalý rozkladný proces, který probíhá postupné v nékolika odlišitelných stupních činností mikrobiálních dekompozitorú, každý stupeň dekompozice provádí jiný druh mikroorganismú (bakterií), žádný dekompozitor není schopen sám rozložit organické až na minerální živiny (uplatnení délby funkcí).

Organismy (bakterie) účastnící se mineralizace

po úhynu organismú amonifikační bakterie štépí bílkoviny na jednotlivé aminokyseliny a dál až na amoniak => proces zvaný amonifikace, amoniak je buď rostlinami využit po pŕedchozím prechodu na NH4+, nebo je dále oxidován.

Mineralizovaný dusík je použitelný pro zelené rostliny jen malou částí celkového množství dusíku v púdé, rostliny mohou absorbovat jen tu část mineralizovaného dusíku, kterou jim pŕenechají konkurenční púdní mikroorganismy.

Další oxidace amoniaku:

Zbylý NH3 je pŕevádén nitrosifikačními bakteriemi na dusitany - proces nazývaný nitritace (nitrosifikace), dusitany jsou dále oxidovány nitrifikačními bakteriemi na dusičnany - proces zvaný nitrifikace. Dusičnany mohou být denitrifikačními bakteriemi prevedeny až na elementární dusík nebo N2O - proces zvaný denitrifikace, k denitrifikaci dochází hlavné u pŕihnojených púd (hodné uhlíku a dusíku).

Problém týkající se proporcionality biogeochemického cyklu

Vlivem intenzivního zemédélství (používání dusíkatých hnojiv) se zvyšuje množství dusíku fixovaného v terestrických systémech (v púdé a ve spodních vodách) => nahromadení koncentrací nebezpečných živým organismúm včetné človeka, splachy dusíkatých látek do vodních téles (ŕek, jezer, morí) - dochází k eutrofizaci vodních ploch.

Nebezpečí pro človeka:

príjem dusičnanu v potrave a v pitné vode

NO3-                                    -- redukce> NO2-                          ------> R2NNO

dusičnany                              dusitany                                 nitrosoaminy

dusitany zpúsobují methemoglobinemii, nitrosoaminy mají kancerogenní, mutagenní a teratogenní účinek, oxid dusný je významný skleníkový plyn

Kolobeh fosforu

základním zásobníkem je lithosféra, kolobeh je jednoduchý otevŕený

Fosfor je podstatnou součástí protoplazmy, obsažen v nukleotidech, potažmo v nukleových kyselinách, je stavebním prvkem kostí, zubu a chrupavek. Je to jeden z nejdúležitéjších biogenních prvku, který je v ekosystémech, limituje produkční procesy, tj. rozvoj organismú - chová se jako oligoelement (faktor omezující počet organismú).

Základním zásobníkem a zdrojem jsou vyvŕelé horniny a z nich sekundárne vzniklé usazené horniny, nékteré horniny obsahují jen málo fosforu, ekosystémy, které na nich vznikají, se podobaj í pouštím (Austrálie, málo oživené).

Autotrofní organismy jsou schopny využít fosfor pouze ve sloučeninách rozpustných ve vode -jedná se obvykle o rozpustné fosforečnany - tak prochází fosfor do rostlin a vstupuje do potravních ŕetézcú heterotrofních organismú, z odumŕelých organismú fosfor pŕechází opét do pudy bakteriálním rozkladem.

Bežná je fixace fosforu v pude ve forme nerozpustných fosfátu (napr. apatit Ca3(PO4)2).

Rostliny jsou závislé pŕedevším na vnitŕním cyklu v ekosystémech, ten je však vétšinou ztrátový v prípade fosforu, opačný problém než z dusíku a uhlíku, dochází k mizení fosforu z pŕírodního kolobehu.

Fosfor se z kolobehu ztrácí vyluhováním jeho rozpustných forem do

povrchových i podzemní ch vod, jsou unášeny do more, kde tvorí nerozpustné hlubinné sedimenty sloučením s vápenatými ionty. Na tvorbe hlubinných sedimentu se podílejí i odumŕelé organismy klesající do hloubek (napr. schránky rozsivek, korálú, kostry odumŕelých zvíŕat...).

Naopak ke zvýšení množství rozpustených sloučenin fosforu pŕispívají antropogenní vlivy jako je pŕihnojování rozpustnými fosforečnany, prací prostŕedky s pŕídavkem fosforečnanu => urychlené vyplavení téchto látek do toku a až do oceánu, v této fázi souvisí cyklus fosforu s cyklem vody.

Presun sloučenin fosforu atmosférou je minimální, cyklus je uzavŕen na dne oceánu, zásoby končí neodvratné v sedimentech.

Už v roce 1939 napsali Wells, Huxley a Welles: „Fosfor je weak link - slabý článek ŕetézu, který umožňuje život lidí.“

Život a jeho prostredie sú prepojené tak tesne, že evolúcia je evolúciou Gaie, a nie zvlášť organizmov a zvlášť prostredia.

James Lovelock:The Ages of Gaia (1989)

Matka Zem

Gaia, alebo Gaea, je meno, ktoré dali staroveký Gréci ich Bohyni Matke, bohyni Zeme. Gaia porodila Urana a potom si ho vzala za muža. S ním splodila Titanov a Cyklopov.

Hypotéza Gaia je revolučná, nie však úplne nová. Dávno pred Lovelockom dosepli k podobným záverom aj iní vedci a filozofi.

Platón (428-347 pred Kristom)

Starogrécky filozof Platón veril, že Zem sama o sebe je živá. Keď opisoval vesmír, napísal, že "sa najväčmi podobá tej živej Bytosti [Zemi], ktorej všetky ostatné živé bytosti, nerozdielne alebo geneticky sú súčasťou."

James Hutton (1726-1797)

Škótsky geológ, často nazývaný otcom geológie, sa vyslovil, že Zem by mala byť považovaná za "superorganizmus" a skúmaná fyziológiou. Pri vysvetľovaní svojho uvažovania prirovnával pohyb živín na Zemi - z pôdy cez rastliny a živočíchy späť do pôdy - kolobehu krvi v tele.

Alexander von Humboldt (1769-1859) Nemecký bádateľ a geograf naštartoval vedecké skúmanie, aký je vzťah organizmov k ich prostrediu, teda to, čo sa dnes nazýva ekológia.

Jak se pozná planeta živá od neživé? Dobrým indikátorem podIe Lovelocka je složení atmosféry planety (obr). Atmosféry Marsu a Venuše j sou v rovnováze s kúrou planety a dají se vysvetlit chemickými interakcemi s kúrou. Naproti tomu složení atmosféry Zeme se diametrálne liší od myslitelného rovnovážného stavu: kdyby nebyly její složky neustále obnovovány, vymizely by jak majoritní složky - kyslík a dusík, tak i metan. Z nitra planety tyto plyny neunikají, tedy jediným jejich zdrojem jsou živé organismy. Dalším Lovelockovým krokem bylo konstatování, že tak jako atmosféra, i složení litosféry a hydrosféry planety je určováno činností živých organismu, a že organismy určují kolobeh všech komponent techto zemských obalu.

Zdroj: Anton Markoš,Vesmír 70, 305 (1991)

Obrovský dosah tvrzení, že Gaia je homeostatický organismus si demonstrujme na príkladu globální teploty: protože živé organismy tolerují jen velmi úzké teplotní rozpétí ve srovnání s ex-trémy panujícími jak v oko lním vesmíru. tak v zemském nitru. nesmela teplota v prostoru obývaném životem z techto mezí vystoupit (alespon ne všude najednou). Gaia byla schopn a zajistit pro život vyhovující teplotu po celou dlouhou dobu svojí existence, a ta je témeŕ tak dlouhá, jako je délka existence planety samotné. Za tu dobu zažila Gaia bezpočet zmen vn ej ších veličin (svítivost Slunce stoupla za tu dobu minimálne o 25 %, obežná dráha, sklon zemské osy apod. menily zásadne své parametry), pŕesto prúmerná teplota Gaie se udržela po celou tu dobu ve velmi úzkém rozmezí. Teplota na planete není výsledkem púsobení kosmických sil, je regulována (srovnej s Marsem aVenuší).

V kontextu Gaie nejen teplota. ale i kolobeh všech prvkú, klima a snad i kontinentální drift a horotvomé pochody jsou do značné míry výsledkern, v každém prípade ale pod kontrolou homeostatických mechanismú superorganismu. Zivot a jeho prostredí jsou tak tesne propojeny, že evoluce se týká Gaie, a ne zvlášť organismú a zvlášť faktoru jejich prostredí.

Tak odvážné tvrzení pochopiteine príjemce za-razí, proto je Lovelock demonstruje myšlenkovým pokusem - svetem Sedmikrásek: Mejme planetu, kde ve dne je atmosféra krišťálove čistá a j ejí složení je po celou dobu konání "pokusu" konstantní. Planeta je obývána pouze dvema druhy sedmikrásek -bílými a tmavými, celý povrch planety je prikryt kobercem sedmikrásek. Pomer svetle a tmave kvetoucích sedmikrásek je jedinou pro mennou na této zvláštní planete. Materská hvezda v prubehu veku zvyšuje svoji svítivost, na planetu dopadá stále více zárení, a podle všech pravidel by mela její teplota stoupat. To se ale nestane: do hry vstupují sedmikrásky, které regulují albedo planety. V dobe nízké aktivity hvezdy byla potreba teplo na planete udržet, prevládaly proto rostliny s tmavými kvety, které dopadající energii absorbovaly. Se zvyšující se svítivostí hvezdy je potreba energii odrážet zpet do prostoru a stále více se u-platňují rostliny s bílými kvety - albedo planety stoupá. Lovelockuv model ukazuje, že teplota planety bude sedmikráskami udržována na konstantní úrovni v širokém rozpetí dopadajících energií. I tak jednoduchý svet by byl schopen se o sebe postarat a regulovat planetární termostat.

Zdroj: Anton Markoš,Vesmír 70, 305 (1991)

Zdroj: Anton Markoš,Vesmír 70, 305 (1991)

gia 12

Zeme vznikla asi pred 4,5 miliardy let.. Záhy poté, co povrchová teplota poklesla natolik, že se voda udržela v kapalném stavu, mohla mít atmosféra složení podobné jako "mrtvá Zeme" (obr predtým). Taková atmosféra je propustná pro ultrafialovél zátení. Svetový oceán, ve kterém dnes prevládají ionty chloridové a sodné, byl roztokem dusičnanu, síranu, a vedIe prevládajícího dvoj mocného železa v nem byly rozpusteny vysoké koncentrace težkých kovu (Zn, Cd, Cu, Mn). Krome toho byly v oceánu rozpusteny organické látky, pocházející částečne z planetární mlhoviny, zejména ale neustále vznikající účinkem ultrafialového zátení dopadajícího na povrch. Pro naše úvahy je dilležité, že abiogeneticky (bez účasti živých organismú.) vzniká fantastická smes organických látek, z nichž naprostá vetšina se v dnešní biosfére nevyskytuje a které by byly pro dnešní organismy toxické. V tomto prostredí vznikly živé organismy, nevíme jak, ale patrne dost rychle: v nej starších známých horninách, starých 3,7 miliardy let, byly nalezeny fosilizované stromatolity - makroskopické útvary vznikající činnosti fotosyntetizujících baktérií, k nerozeznání od stromatolitu dnešních. Múžeme proto konstatoval, že nékdy v dobe pred 4 miliardami let existovaly baktérie funkčne zcela rovnocenné dnešním, schopné dýchání a fotosyntézy a schopné zpracovat prakticky jakoukoli organickou látku buď jako zdroj energie, nebo materiál pro syntézu organických látek vlastního tela.

K tomu pristupuje specifika bakteriálního zpusobu života: individualita jednotlivé baktérie je dosti omezená (ve smyslu, jakým je omezena individualita včelí deinice nebo bunek našeho tela). Bakteriální život je životem bakteriálních týmu propojených funkčne i geneticky. Težko se nám, mnohobunečným tvorum, kterí existujeme jako individua, vžívá do tohoto sveta, kde pojem jedinec, má-li vúbec nejaký smysl, tak jen ve spojení "planetární organismus".

Zdroj: Anton Markoš,Vesmír 70, 305 (1991)

25

Zkusme s Lovelockem rekonstruovat tento dávný svet. Metabolicky potentní baktérie začaly prebudovávat abiogeneticky vzniklou organickou "polívku" na sloučeniny svého tela. Na rozdíl od abiogeneze je pochopiteine metabolismus procesem cíleným, a vznikaly proto jen organické látky pro organismy potrebné. Energii získávaly organismy v procesu dýchání. S vynálezem dýchání začalo pretvárení planety: v oceánu začaly ubývat organické látky a v atmosfére se objevily nové plyny - dusík a metan. Produkce sulfidových iontu v procesu dýchání (ale i pusobením vulkanismu) umožnila také vznik nerozpustných sulfidú težkých kovú (CuS, ZnS, FeS...) a jej ich bezpečné uložení do zemské kúry. Metan v atmosfére účinne absorbuje ultrafialové záŕení a zpusobil tak asi první ekologickou katastrofu: prestala abiogenetická syntéza organických sloučenin. Rešením mohla být pouze - a fosilie ukazují, že také byla - fotosyntéza. Záhy po svém vzniku prevzal tedy život do své režie také organickou syntézu.

Se vznikem fotosyntézy začínají dva deje: tvorba kyslíku a intenzívní odebírání

CO2 z atmosféry. Tyto dva deje jsou dnes zhruba v rovnováze: kolik kyslíku a

organických látek se fotosyntézou vyrobí, tolik se opet dýcháním recykluje. V

dobe vzniku fotosyntézy a dlouho poté tomu tak nebylo: když se nekterí autori

domnívají, že dýchání kyslíku vzniklo současne s fotosyntézou, produkovaný

kyslík zpočátku reagoval pŕedevším se širokým spektrem redukujících látek

prítomných v prostredí (dvojmocné železo, uran, sulfany, metan apod.). Uvádí se,

že v koncentraci kolem 1 % se tento plyn objevuje v atmosfére teprve asi po dvou

miliardách let - v dobe pred 2,3 miliardy let. Baktérie nejsou schopný kompletní

recyklace produkované organické hmoty (nikoIi z dúvodú biochemických) a část

organické hmoty byla pohrbena do zemské kúry (dnešní ropa, zemní plyn,

kerogen). Poslední velkou prací evoluce bylo odstranení obrovského množství

uhlíku z atmosféry a jeho uložení do zemské kury ve forme uhličitanu. To

tesne souvisí s funkcí planetárního termostatu a s kolobehem témer všech

ostatních biogenních prvku a vody. Ekológia 12

Planetární termostat a ledové doby

Jak bylo rečeno, musí Gaia po celou dobu evoluce kompenzovat zvyšující se svítivost naší hvezdy. Deje se tak zejména neustálým snižováním koncentrace CO2v atmosfére. Čím je koncentrace tohoto plynu nižší, tím se stává regulace citlivejší k náhodným vnejším poruchám: regulační systém se blíží k mezím svých možností. To má za následek dlouhodobé klimatické výkyvy. Podle Lovelocka pri současné svítivosti Slunce je pro Gaiu optimálním stavem doba ledová. Interglaciál je odchylkou stavem prehrátí zemského organismu, který se Gaia snaží eliminovat a vrátit situaci zpet do glaciálu. V současnosti je systém v bode, kdy by mel situaci ovládnout a začít teplotu snižovat Je nemilou komplikací, že současná technická civilizace pusobí trendem opačným - zvyšuje koncentraci skleníkových plynú. Zatím je to CO2ze spalování fosilních paliv, metan z našich odpadu živočíšných farem a rýžových polí a smutne známé freony. Jestliže ale bude oteplování pokračovat,muže byt spustena pozitivní zpetná vazba tím, že se napr. z rozmrzlé tundry uvolní obrovské množství metanu, rozmrzne Arktida a sníží se tak albedo planety ap.

Lovelock není pesimistou, co se týče osudu Gaie: v minulosti musela čelit takovým katastrofám bezpočtukrát Ty nejvetší vedly k drastickému snížení počtu druhú, aby se z nich záhy puvodní rozruznenost vynorila (ale s jiným spektrem druhu). Jinými slovy: Gaia to prežije, ale nemusí prežít Homo sapiens...

Zdroj: Anton Markoš,Vesmír 70, 305 (1991)

Syllabus predmetu EKOLÓGIA (Kováč 2005)

•Predmet ekológie, ekologické disciplíny, vzťahy k iným vedným odborom. Ekológia a environmentalistika, ekológia a ekonómia. Globálne environmentálne problémy súčasnosti - prehľad.

•Základné fyzikálne zákonitosti vo vesmíre a na Zemi. Život na Zemi, podmienky pre existenciu života. Klimatické a meteorologické podmienky a javy.

•Ekologické faktory. Prehľad faktorov, ich ekologický význam. Funkcia odozvy, tolerancia k faktorom, adaptácie. Princíp limitujúcich faktorov; interakcia faktorov.

•Ekologický priestor, ekologická nika. Ekologický stres. Hlavné ekologické faktory pôdy, suchozemského a vodného prostredia.

•Populácia - obsah pojmu. Štruktúra populácie (priestorová, veková, pohlavná, reprodukčná, sociálna). Početnosť a hustota, unitárne a modulárne organizmy. Migrácie a šírenie.

•Dynamika populácie, životné cykly, kohorty. Natalita, prežívanie, mortalita, demografické parametre a tabuľky. Rastové procesy, otvorený a ohraničený rast, rýchlosť rastu, regulácia, únosnosť prostredia.

•Stratégie populácií. Zivotné histórie populácií.

•Kolísanie početnosti, oscilácie, fluktuácie. Medzidruhové vzťahy, synergické a antagonistické vzťahy.

•Biocenóza - obsah pojmu, princíp individualistický a supraorganizmový; ohraničenie biocenóz, ekotóny. Kvantitatívne a štrukturálne vlastnosti biocenóz. Biocenotické princípy, druhové bohatstvo. Životné formy rastlín.

•Štruktúra biocenózy vertikálna a horizontálna, štruktúra dominancie, diverzita a vyrovnanosť; periodické zmeny. Primárne a sekundárne biocenózy. Sukcesia, sukcesné rady, klimax. Biómy Zeme.

•Ekosystém - obsah pojmu. Zložky a štruktúra ekosystému. Procesy syntézy a rozkladu v ekosystéme. Trofická štruktúra, potravné vzťahy a reťazce, ekologické pyramídy. Tok energie v ekosystéme, zdroje a premeny energie.

•Primárna produkcia, efektívnosť asimilácie, hrubá a čistá primárna produkcia, produkcia spoločenstiev a biómov. Sekundárna produkcia, konzumpcia, asimilácia, respirácia, účinnosť energetických premien. Metabolizmus a rozmery.

•Biogeochemické cykly. Typy cyklov, časti cyklov, fondy. Atmosférický a sedimentárny cyklus. Cyklus H2O, O, C, N, S, P; energetická bilancia biosféry Zeme. [Vývoj biosféry, hypotéza Gaia.]