BIOGEOCHEMIAdla Ochrony Środowiska

Ch-OLo216-08dla Studiów Biologiczno-Geograficznych

WBNZ-407

• Prowadzący:– prof. dr hab. January Weiner

– dr Anna RoŜen

– prof. dr hab. Katarzyna Turnau ze wsp.Instytut Nauk o Środowisku UJ, wydz. BiNoZ

strona kursu:www.eko.uj.edu.pl/weiner

CZAS I MIEJSCE: ŚRODY

wykład: (wszyscy) godz. 10.30-11.15, Sala P 1.1.

konwersatorium:Biol.-Geo. Grupa I: godz. 9.30-10.15, sala P 1.1.Biol.-Geo. Grupa II: godz. 11.20-12.05, sala P 1.1.Ochr. Śr. Grupa I: godz. 9.35-10.20, sala 049Ochr. Śr. Grupa II: godz. 11.30 – 12.15, sala 049

zajęcia terenowe + laboratoryjne:Tylko: Biol.-Geo. – termin do ustalenia

ZALICZENIE:

• Test pisemny w sesji (75%; próg dst = 50% pkt)

• Aktywność na zajęciach (25%: prezentacja 15%, aktywność 10%)

• Pozytywnie oceniona prezentacja jest warunkiem zaliczenia kursu

• Biol.-Geo.: pozytywnie ocenione sprawozdanie z ćwiczeń jest warunkiem zaliczenia kursu

Obowiązuje regulamin

• Dwa (2) terminy egzaminu: pierwszy (I) i poprawkowy.

• W razie nieprzystąpienia w I terminie z waŜnych powodów, przywrócić I termin moŜe Dziekan (Dyrektor Instytutu); podpisaną decyzję trzeba przedstawić przed przystąpieniem do egzaminu w II terminie.

• Innych terminów nie ma.

JWIntegracja biosferyBiogeochemia a klimat; zmiany globalne25.0513

JWBilans węgla a klimatBiosfera zintegrowana, hipoteza Gai1.0614

Termin zajęty – zajęcia terenowe Ochr. Środ.????15

KTZajęcia terenowe i laboratoryjne (mikroorganizmy)ust.-

JWStechiometriaBiosfera jako zintegrowany ekosystem18.0512

JWEkosystemy wodneStechiometria ekologiczna11.0511

AREkosystemy lądoweCykle biogeochemiczne w ekosystemach wilgotnych i wodnych

4.0510

ARMetale cięŜkieCykle biogeochemiczne w ekosystemach lądowych27.049

ARMikroelementyMetale cięŜkie20.048

ARBiogenyMikroelementy13.047

ARCykl siarkiBiogeny: P, Fe, Ca6.046

ARCykl azotuBiogeny: cykl siarki30,035

ARBilans węgla w biosferzePierwiastki biogenne: cykl azotu23.034

JWBiogeneza, metabolizmCykl węgla (Produkcja-dekompozycja)16.033

JWMetodologia naukowaBiogeneza; metabolizm biosfery9.032

JWSprawy organizacyjne; źródła informacja naukowej

Sprawy organizacyjne; wstęp do biogeochemii (biosfera, metodologia)

2.031

ktokonwersatoriumTemat wykładudata

PROWIZORYCZNY HARMONOGRAM ZAJĘĆ 2011

Na kaŜdych zajęciach

1) Konwersatorium Prezentacje studentów (1 lub 2), dyskusja

2) Wykład + wskazówki do przygotowania siędo następnego konwersatorium;

Tematy prelekcji zostaną zaproponowane z odpowiednim wyprzedzeniem

DO ZAJĘĆ PRZYGOTOWUJĄ SIĘWSZYSCY (NIE TYLKO PRELEGENCI)

materiały pomocnicze:http://www.eko.uj.edu.pl/weiner

Nazwa uŜytkownika: ********Hasło: *******

Konwersatorium 9. marca

• Temat prezentacji: Robert M. Hazen, „Matecznik minerałów”. Świat Nauki 4, 2010, 62-70. (o powiązaniu świata minerałów z Ŝyciem na Ziemi).

• Artykuł (pdf) dostępny na stronie kursu.• MoŜna wzbogacić – uzupełnić – poddać

krytyce – w oparciu o inne, samodzielnie znalezione źródła

• Temat dodatkowy: Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych

Samodzielne poszukiwanie źródeł:

• Biblioteka (ksiąŜki, czasopisma, po polsku i po angielsku)

• INTERNET: OSTROśNIE!• Bazy danych SCOPUS, ISI Web of Science

• Czasopisma w wolnym dostępie

• MoŜna korzystać z Wikipedii (!), najlepiej po angielsku

• Pozostałe źródła internetowe wymagaja starannej weryfikacji!

?Pytania ?

ZałoŜenia podstawowe

• Uniwersytet Jagielloński jest uniwersytetem

• Biogeochemia = część ekologii

• Ekologia = biologia

• Biologia = nauka (science)

• Nauka: metoda

Uniwersytet• WyŜsza Szkoła Zawodowa im. Władysława

Jagiełły ??

• NIE!!!

• Aktywne dowiadywanie się:– Ze źródeł (biblioteka: czasopisma, ksiąŜki, bazy

danych)

– Od rzeczywistości (badania)

– Od siebie wzajemnie (wykłady, seminaria, pogawędki)

• Zaliczanie: formalność. Studia są dla ciekawych.

Zagadnienia• A. Mechanizmy (jak to się dzieje)

– Geochemia a biogeochemia– śycie jako reakcja redoks

• B. Cykle biogeochemiczne (co się dzieje)– Cykl globalny węgla i tlenu– Pierwiastki biogenne (N, P, K, Ca, Mg, Fe i in.)– Cykl globalny azotu. – Cykl globalny siarki – Mikroelementy, metale cięŜkie w biosferze.– Cykle biogeochemiczne w wybranych środowiskach– Interakcje międzygatunkowe: stechiometria

ekologiczna• C. Integracja: efekty globalne

– Biogeochemia biosfery– Biogeochemia a klimat

J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", NOWE WYDANIEPWN (2003)

Podręcznik:dedykowanego podręcznikabiogeochemii w jęz. polskim brak.

1.2. O metodzie naukowej2.4. Planeta Ziemia2.5. Ziemia pod nogami2.6. Cyrkulacja atmosferycznai cykl hydrologiczny3. Biogeneza i historia biosfery4. Metabolizm biosfery5. Produkcja pierwotnabiosfery6. Dekompozycja, czylirozkład biomasy7. Cykle biogeochemiczneRAZEM OK. 170 str.

W.J.H. Kunicki-Goldfinger. śycie bakterii (wyd. najnowsze)

Rozdział12.

Paul E.A., Clark F.E.

Mikrobiologia i biochemia gleb

Wyd. UMCS, Lublin 2000

Andrews JE et al.:

Wprowadzenie do chemii środowiska

Biogeochemia środowisk Ziemi; ogólne zasady, mało biologii

• Peter O’Neil: Chemia środowiska. PWN, 1997. Monografia, z naciskiem na problemy zanieczyszczeń, mało biologii

2007

DuŜo abiotycznej geochemii,nacisk na ochronęśrodowiska;

rozdział 9:Globalne cykle biogeochemiczne

Craig J.R..Vaughan D.J.Skinner B.J.

Zasoby Ziemi

PWN Warszawa 2003

Schneider S.F.

Laboratorium Ziemia

CISWarszawa 1998

[zintegrowana biosfera,zmiany globalne]

Literatura popularno-naukowa

• Postgate J., Granice Ŝycia. CIS 1997

• Świat Nauki (miesięcznik) !!!

• Wiedza i śycie (miesięcznik)

• Wszechświat (miesięcznik)

KLASYCZNY

PODRĘCZNIK

EKOLOGII KREBSA

(pwn 1998)

BIOGEOCHEMII

POŚWIĘCA 30 STR.

(4% OBJĘTOŚCI)

PODSTAWOWY

PODRĘCZNIK

EKOLOGII

(pwn 2000)

BIOGEOCHEMII

POŚWIĘCA 8 STR.

(2% OBJĘTOŚCI)

JESZCZE W LATACH 1980/90 IGNOROWAŁY

ISTNIENIE śYCIA NA ZIEMI...

PODRĘCZNIKI GEOCHEMII

TU

JEST

WSZYSTKO...

...OSOBNO

POJĘCIE BIOSFERY

SUESS (1875):

STATYCZNE, TOPOLOGICZNE

(WARSTWA NA POWIERZCHNI GLOBU)

VERNADSKIJ (1926):

DYNAMICZNE, FUNKCJONALNE

(EKOSYSTEM)

DOMENA BIOGEOCHEMII: BIOSFERA

• Biosfera: ekosystem globalny• System dynamiczny (przepływ energii,

przemieszczanie mas, praca)• Procesy abiotyczne (fizykochemiczne) • Procesy biologiczne (ścisła integracja)• Chemizm biosfery – wpływ organizmów• Biosfera: naturalne środowisko człowieka• Ekologia: nauka o Ŝyciu biosfery• Ochrona środowiska: zastosowanie ekologii

EKOLOGIA

GEOCHEMIA

MIKROBIOLOGIA

PALEOBIOLOGIA

KLIMATOLOGIA

OCEANOLOGIA

BIOGEOCHEMIA

GEOMIKROBIOLOGIA

EKOLOGIA GLOBALNA

EARTH SYSTEM SCIENCE

PALEO

GEOFIZJOLOGIA

PALEO

PALEO

PALEO

PALEO

GEO-

MIKRO-

BIOLOGIA :

JAK

MIKROORGANIZMY

KSZTAŁTUJĄ

PROCESY

GEOCHEMICZNE

(Newman & Banfield, 2002)

Science 296, Maj 2002

Przykłady geochemicznych procesów mikrobiologicznych w głębi ziemi

BIOGEOCHEMIA

• nauka zajmująca się rozmieszczeniem i przemieszczaniem się pierwiastków chemicznych w biosferze, przy udziale Ŝywych organizmów.

• wyjaśnia mechanizmy funkcjonowania biosfery w skali globalnej i ekosystemów w skali lokalnej

• znaczenie: ochrona środowiska, gospodarka zasobami naturalnymi

PREKURSORZY

• Justus Liebig (1803-1873), chemik• („prawo minimum”)

• W.I. Wiernadski (1863-1945), geochemik• (pojęcie biosfery, 1929)

• S.N. Winogradski (1856-1953), mikrobiolog• (chemosynteza, wiązanie azotu, udział bakterii w

krąŜeniu pierwiastków)

• J. Lovelock i „Hipoteza Gai”• Współczesna ekologia globalna („geofizjologia”)

METODA NAUKOWA

Metoda naukowa• Nauki eksperymentalne (przyrodnicze, ścisłe) :

hipotetyczne, ale maksymalnie wiarygodne!

• Obserwacja – powtarzalne wzorce

• Hipotezy wyjaśniające (modele)

• Testowanie hipotez

• Hipotezy umocnione

• Uogólnione hipotezy: teorie

• Umocniona teoria: „paradygmat”

• Testowanie teorii:

– Program badawczy

– Zastosowania

Na przykład: kulistość Ziemi

• Obserwacja: płasko!– Wyjaśnienie ad hoc: Ŝółw na 4 słoniach itd.

• Ale: kolisty horyzont!– HIPOTEZA: ograniczony promień widzenia

– HIPOTEZA ALTERNATYWNA: kula

– TESTY:• Daleki widok okrętów

• PodróŜ dookoła świata

– PROGRAM BADAWCZY: Pomiar promienia

– PARADYGMAT: Ziemia jest kulą

– PROGRAM BADAWCZY: Dokładny kształt Ziemi

Na przykład: ocieplenie globalne

• Obserwacja: ociepla się (?)• Obserwacja: wzrasta zawartość CO2

• Hipoteza: efekt cieplarniany!• Wyjaśnienie ad hoc: człowiek powoduje

zmianę klimatu• TESTY: w toku• Hipotezy umocnione, ogólna teoria,

zastosowania praktyczne – NIEPRĘDKO!

WYMAGANIA METODOLOGII NAUK:•POWTARZALNO ŚĆ OBSERWACJI•TESTOWALNE HIPOTEZY•EKSPERYMENT LUB KONTROLOWANA OBSERWACJA

RZECZYWISTOŚĆ BIOGEOCHEMII:•TYLKO JEDEN OBIEKT•SKALA PRZESTRZENNA OGROMNA•SKALA CZASOWA ZJAWISK POZA ZASI ĘGIEM BADA Ń

RATUNEK:• WZORCE POWTARZALNE W CZASIE [PALEO... (...BIOLOGIA ...EKOLOGIA ...BIOGEOCHEMIA)]• WZORCE POWTARZALNE W PRZESTRZENI [GLOBALNE... ZMIANY ... PODEJŚCIE BADAWCZE]

Pragmatyka naukowa

• Konkurs projektów badawczych (recenzje)

• Konkurs publikacji naukowych (recenzje)– Czasopismo naukowe

– Krytyka naukowa

– Uogólnianie: monografie, podręczniki

• Alternatywa nauki:– Ekspertyzy na zlecenie (z zadanym wnioskiem)

– Biuletyn wewnętrzny

– KsiąŜka nierecenzowana (wydawnictwo garaŜowe)

– Artykuły w gazetach, komentarze w telewizji

Nauki podstawowe, stosowane i technika:

• Ekologia (w tym: biogeochemia):– Nauka podstawowa o funkcjonowaniu

biosfery; nauka stosowana w ochronie środowiska i ochronie przyrody

• Ochrona środowiska:– Praktyka ochrony środowiska człowieka

• Ochrona przyrody– Praktyka ochrony róŜnorodności biologicznej

biosfery

śycie na Ziemi widać z daleka

Dynamika biogeochemiczna: praca zasilana energią

• Dynamika geosfery (tektonika) -energia jądrowa

• Dynamika hydrosfery (prądy morskie; obieg wody)

• Dynamika atmosfery• Dynamika biosfery -

energia termojądrowa (słoneczna)

PRZEKRÓJ ZIEMI

1. Skorupa

2. Płaszcz

3. Jądro zewnętrzne

4. Jądro wewnętrzne

5. Prądy konwekcyjne

1. Skorupa ziemska: 10-40 km2. Płaszcz: 2900 km3 + 4. Jądro 3470 km

3700 oC

-272 oC

Energia cieplnawytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnychnapędza procesy tektoniczne

TW = 1012 W

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1 2 3 4 5

Miliardy lat

Razem

235U

238U

232Th

40 K

Wg. Winogradowa, 1960

30

60

90

120

150

180TW

wg. Winogradowa, 1960,zmienione

Energia geotermalna

Energia geotermalna

Wczesny kambr 544 – 511 mln lat

Późny karbon 329-296 mln lat

Koniec permu 269-248 mln lat

Kreda/Trzeciorzęd 81-58 mln lat

• Stała słoneczna (poza Ziemią): 1360 W/m2

• Średnio na powierzchnię kuli: 1/4• Odbicie od atmosfery: ok. 1/3• Pochłanianie atmosferyczne: ok. 1/3• Średnio na powierzchni Ziemi: ok. 113 W/m 2

• Rozkład nierównomierny

ENERGIA SŁONECZNA

Spektrum promieniowania słonecznegoStała słoneczna: 1360 W/m2

Energia promieniowania słonecznego

Obieg wody, tys. km3/rok

ATMOSFERA 14

46410 456

10862

46

60000

65OCEAN 1380000

lodowce

gleba

jeziora

rzeki 1,2wody podziemne

ABIOTYCZNA DYNAMIKA PLANETY:

•CYKLE TEKTONICZNE•CYKL HYDROLOGICZNY•WYPIĘTRZANIE I EROZJA•WULKANIZM I SEDYMENTACJA•itd

[GŁÓWNIE PRACA MECHANICZNA][PRZEMIANY CIEPLNE]

CYKL TEKTONICZNO-METAMORFICZNO-SEDYMENTACYJNY

SKAŁYMAGMOWE WIETRZENIE

I EROZJA

TOPNIENIE

OSADY

LITYFIKACJA

SKAŁYOSADOWE

WZROSTTEMPERATURY

SKAŁYMETAMORFICZNE

REKRYSTALIZACJA

WZRASTAJĄCA TEMPERATURA I CIŚNIENIE

śycie biosfery = cykl redoks węgla

CO2

(CH O)2 n

REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy

UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli

energiaenergia

DEPOZYCJA(ocean, osady)

DEPOZYCJA(złoŜa paliw)

Funkcja ekosystemu: cykl redox

CO2

(CH2O)n

Utlenianie(oddychanie)

Redukcja(produkcja)

Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków

FOTOSYNTEZA BAKTERIENITRYFIKUJACE

BAKTERIESULFURYZUJACE

H O2H S

2

CO2CO

2CO

2

O2

(CH O)2 n

(CH O)2 n(CH O)2 n

NH3

NO3

-SO

--4

ciepło Słońce

1 2 3 4

• Lektury dodatkowe: – energetyka biosfery

• śiEB: rozdz. 2.4., 2.5, 2.6

– metodologia nauk

• śiEB: rozdz. 1.2;

• Wikipedia;

• A. F. Chalmers, „Czym jest to, co zwiemy nauką?”. Siedmioróg, 1993 (– fragmenty udostępnione na stronie kursu)

Konwersatorium 9. marca

• Temat prezentacji: Robert M. Hazen, „Matecznik minerałów”. Świat Nauki 4, 2010, 62-70. (o powiązaniu świata minerałów z Ŝyciem na Ziemi).

• Artykuł (pdf) dostępny na stronie kursu.• MoŜna wzbogacić – uzupełnić – poddać

krytyce – w oparciu o inne, samodzielnie znalezione źródła

• Temat dodatkowy: Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych