ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA:BIOSFERA CZY CYWILIZACJA?

WYKŁAD 8BIOLOGICZNA NATURA CZŁOWIEKA

CZEGO NAM TRZEBA?

POZYCJA TAKSONOMICZNA CZŁOWIEKA

Lucas Cranach (ok. 1510)

Królestwo zwierzęta AnimaliaTyp strunowce ChordataPodtyp kręgowce VertebrataGromada ssaki MammaliaPodgromada łożyskowce PlacentaliaRząd naczelne PrimatesPodrząd HaplorrhiniNadrodzina małpy człekokształtne

HomininoideaRodzina człowiekowate Hominidae

Homo sapiensWzrost 1,21-2,00 m

Średnio: ♂1,65 m; ♀1,54 m

Masa śr. 62,0 kg

ZASIĘG GEOGRAFICZNY Homo sapiens

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

Natężenie strumienia energii (mocy) układów technicznych i organizmów (wartości przybliżone).

Natężenie strumienia

energii (moc, tempo

metabolizmu)

Układy techniczne Układy żywe

10 µW

(0.00001 W)

Zegarek elektroniczny Larwa Tribolium

1 W Latarka kieszonkowa Średni dobowy metabolizm sikory bogatki

10 W Mikrokomputer (bez monitora) Metabolizm kota

100 W Żarówka, telewizor Metabolizm człowieka przy lekkiej pacy

1000 W Żelazko, czajnik Metabolizm człowieka przy ciężkiej pracy

10 kW Średnie tempo zużycia energii przez jednego mieszkańca W. Brytanii

50 kW Samochód osobowy Respiracja 5 ha lasu

664000 MW Produkcja pierwotna netto całej biosfery

CAŁOŻYCIOWY BILANS ENERGII OSOBNIKA

C

RESPIRACJA

RKONSUMPCJA

PPRODUKCJA

C = A + FU = (P + R) + FU

ODCHODYFU

„WYDAJNOŚĆ” PRODUKCJI I ASYMILACJIORGANIZMY P/A P/C A/C

3545

3228

9262

3737

1014

2737

2,3 2,2 96

5,2 4,2 81

1,5 0,48 32

POMIARYMETABOLIZMU

1. KALORYMETRYCZNE2. RESPIROMETRYCZNE

3. IZOTOPOWE4. ŻYWIENIOWE

KALORYMETR LAVOISIERA

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + energia

ZALEŻNOŚĆ METABOLIZMUOD CIĘŻARU CIAŁA

(TU: SSAKÓW)

ZALEŻNOŚĆMETABOLIZMUOD MASYCIAŁA

WYMIANA CIEPŁA MIĘDZY ORGANIZMEM A OTOCZENIEM

TERMOERGULACJA U STAŁOCIEPLNYCH

TERMOERGULACJA U STAŁOCIEPLNYCH

WYSOKA PRZEWODNOŚĆ(GORSZA IZOLACYJNOŚĆ)

NISKAPRZEWODNOŚĆ(DOBRAIZOLACJA)

TERMOREGULACJA

TERMOREGULACJA

METABOLIZM WYSIŁKOWY

ZUŻYCIE ENERGII PRZEZ CZŁOWIEKA

Świat (średnio) < 2 kW/osobęPolska ok. 5 kW/osobęU.S.A. > 10 kW/osobę

Organizm ludzki w spoczynku: 70 – 80 Wprzy pracy: 350 – 600 W

1000 W

POBRANIE ENERGIIPRZEZ CZŁOWIEKAW SPOCZYNKUI PRZY PRACY

Zużycie energii przez człowieka (▲) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię (●) u ssaków (wg Weiner 1989)

Tem

po z

użyc

ia e

nerg

ii, W

Metabolizm minimalny

Metabolizm maksymalnyMaks. asymilacjaenergii z pokarmu

żerowanie

trawienie

wchłanianie

ciepło praca tkanka OGRANICZENIA BUDŻETUENERGETYCZNEGO

FMR ssaki

FMR ptaki

Amax

Weiner 1992

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

Cywilizacyjne ekstrawagancje

Zużycie energii na głowę, kW

0

5

10

15

20

25

30

35

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97

100

103

106

109

112

115

118

121

124

127

130

133

kraje swiata

kW

Fizjologiczne zapotrzebowanie człowieka:w spoczynku: 70 – 80 Wprzy pracy: 350 – 600 W

Zużycie energii na głowę (średnie dla regionów)

0

1

2

3

4

5

6

7

Świat

OECDŚr

. Wsc

hód

Były ZS

RREur.

Nie-

OECD

Chiny

AzjaAm. Ł

ac.

Afryka

Polska

Regiony

kW

2003: 10579 Mtoe = 14 000 GW

WZROST CAŁKOWITEJ PODAŻY ENERGII NA ŚWIECIE

Mtoe = Million Tonnes of Oil Equivalent

16145 GW 21836 GW

PRZEWIDYWANY WZROST PODAŻY ENERGII NA ŚWIECIE(DO 2030 WZROST O OK. 60%)

51%

15%

21%

11%

2%0%

Węgiel kamiennyWęgiel brunatnyRopa itd.Gaz wysokometanGaz zaaztotowanyelektr. Wodne

Udział różnych źródeł energii w PolsceŁączna podaż: 3516 PJ/rok (2003);

111,5 GW = ok. 3 kW/głowę

tzw. „ENERGETYCZNE ZASOBY ODNAWIALNE”

• Biomasa– Opał, biogaz, etanol, biodiesel itd.

• Energia wiatru• Energia rzek i pływów• Energia słoneczna

– Panele cieplne, ogniwa fotowoltaiczne• Energia geotermalna

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

POKARMPrzystosowania przewodu

pokarmowego

2005

O: 35 kg; C: 17.5 kg; H: 6.25 kg; N: 1.5 kg; P: 0.5 kg; S: 0.1 kg

Na: 70g; K: 120g; Cl: 74g; Mg: 16g; Si: 18g

Fe, Zn, Cu, I, Mn, F, Cr, Se, Mo, Co...

Tycjan, 1538

Co: 1mg

Homo sapiens, ok. 61 kg

Michał Anioł, 1535 Homo sapiens

Wzór stechiometryczny organizmu ssaka

H375000000 O132000000 C85700000 N6430000 Ca1500000 P1020000 S206000 Na183000 K177000 Cl127000 Mg40000 Si38600 Fe2680 Zn2110 Cu76 I14 Mn13 F13 Cr7 Se4 Mo3 Co1

C:N:P = 84:6:1

Wzór stechiometryczny ciała ludzkiego

H375000000 O132000000 C85700000 N6430000 Ca1500000 P1020000 S206000 Na183000 K177000 Cl127000 Mg40000 Si38600 Fe2680 Zn2110 Cu76 I14 Mn13 F13 Cr7 Se4 Mo3 Co1

C:N:P = 84:6:1

C, O

H, O

N, P, K, Ca ...

Autotrof pobiera C i O (CO2)niezależnie od innych pierwiastków

Pobieranie biogenów (N, P, K, Ca ...) z roztworu glebowego zależy od ilości transpirowanej wody

SELEKTYWNE PRZYSWAJANIEROLA GRZYBÓW (MIKORYZA)

C, H, O, N, P, K, Ca, Na, S ....

Heterotrof pobiera wszystkie pierwiastki naraz, w takich proporcjach, w jakich są w pokarmie.

SELEKTYWNA ASYMILACJASELEKTYWNE ŻEROWANIEROLA GRZYBÓW

SKŁADCIAŁA

SKŁADPOKARMU

NADMIAR DOWYDALENIA

KONSUMPCJAPOKARMU

STRATEGIA MONOFAGA

żerowanie w nadmiarzewydalanie nadmiaru

SKŁADCIAŁA

SKŁADPOKARMU

KONSUMPCJAPOKARMU

STRATEGIA POLIFAGA

pobieranie różnych pokarmówdla skompensowania składu

SKŁADCIAŁA

SKŁADPOKARMU KONSUMPCJA

POKARMU

WYBIÓRCZE ŻEROWANIESTRATEGIA PASOŻYTA

pobieranie wybranych tkanek,części ciała, produktów

FUNKCJE PRZEWODU POPKARMOWEGO

MIKROKOSMKI

KOSMKI

STOMACH

JELITO GRUBE

JELITO ŚLEPE

JELITOCIENKIE

ŻOŁĄDEK

PRZEDŻOŁĄDEK

WOLE

Weiner 1992

PRZEWODY POKARMOWE

A.PSAB.ANTYLOPYC.KRÓLIKAD.CZŁOWIEKA

PRZEWODY POKARMOWE

A. PSAB. ANTYLOPYC. KONIAD. CZŁOWIEKAE. ŚWINI

POKARM„OBJĘTOŚCIOWY”NISKOSTRAWNYOBFICIE DOSTĘPNY

PIERWOTNA DIETA LUDZI• Australopiteki:

– pokarm roślinny– białko roślinożerców (np. termity)– padlina

• Współcześni łowcy-zbieracze:– 1/3 energii z pokarmu roślinnego– 2/3 energii z pokarmu zwierzęcego (m.in.

bezkręgowce - owady)

Adaptacje kudzkiego przewodupokarmowego do pokarmów

roślinnychzwierzęcych

• Struktura przewodu pokarmowego

• Brak celulazy• Brak syntezy witaminy B12• Ograniczona synteza

tauryny• Enzymy: elastaza i

kolagenoza• Zdolność wchłaniania

hemu

• Enzymy: amylaza ślinowa, trzustkowa

• Brak syntezy witaminy C

OGIEŃ

• Pierwsze (dyskusyjne) ślady użytkowania ognia: 790 000 lat temu (dolny paleolit)

• Pewne ślady kontrolowanego użytkowania ognia: 400-200 tys. lat temu

Homo erectus

„Hipoteza kulinarna”

• Ogień poszerzył niszę pokarmową:– Niejadalne (trujące) podziemne bulwy* – Mięso skażone patogenami

*np. ziemniak – solanina, niestrawne węglowodany

ROLNICTWOUprawa traw wielkonasiennych (zbóż);

Początki: ok. 10 tys lat temu; rozwój od 6 tys. lat

wadykorzyści• Obfitość pokarmu• Przewidywalność

• Pokarm trudnostrawny– Ogień, żarna

• Pokarm skrajnie mało urozmaicony

• Nagła zmiana obyczajów pokarmowych

• Obecność glutenu, kwasu fitynowego– Celiakia, anemia, krzywica

Uprawa soi

korzysci wady• Ziarno zawiera do 50%

białka• Trucizny (0brona roślin)

– Inhibitory trypsyny– Gotowanie nie wystarcza– fermentacja

PRZETWARZANIE ŻYWNOŚCI w celu dostosowania do ograniczeńfizjologicznych człowieka:

• mechaniczne• termiczne• z udziałem innych organizmów