A bioszféra kialakulása

Átírás

1 A bioszféra kialakulása Ökológia előadás BME-ELTE biomérnök, környezetmérnök szakok 2007 Összeállította: Kalapos Tibor Bioszféra: a biológiai szerveződés legmagasabb szintje, valamennyi földi életközösség együttese A litoszféra és atmoszféra határfelületénű Változás és viszonylagos homeosztázis visszacsatolásos szabályozó mechanizmusok

2 A Föld kialakulása Világegyetem kora: Mrd év, Napunk 5 Mrd éves A Föld kb. 4,5-4,6 Milliárd évvel ezelőtt keletkezett 3,8 Mrd évig számos becsapódás, izzó gömb légkör: vízgőz, CO2, CO és N2 Hádész kor: 4,6 3,8 Mrd év (az élet nélküli Föld) túl forró a folyékony vízhez.

3 Földünk holdjának keletkezése

4 3,8 Mrd év: a becsapódások megszűntével a bolygó folyamatosan hült Halovány Nap Paradoxon: a fiatal nap 30%-kal alacsonyabb sugárzású mai üvegházgáz koncentrációnál fagyott a mainál szer magasabb [CO2] fokozódú napsugárzás mégsem forrósodik a Föld szilikátok karbonátok: a C temetődik H2O + CO2 = H2CO3 H2CO3 + CaSiO3 = CaCO3 + H2SiO3 ; H2CO3 + MgSiO3 = MgCO3 + H2SiO3 a hőmérséklet emelkedésével fokozódik kb. 3,8 Mrd éve Az élet születése tengervízben, min. 10m-es vízoszlop alatt nem véd ózonpajzs. erős UV sugárzás Az első szervezetek kemoszintetizálók redukált szervetlen vegyületek (pl. H2S) oxidálása A fotoszintézis hamar megjelent: a Nap sugárzó energiája jelentős energaforrás több alternatív mód, nem az O2 termelő az első

5 Mélytengeri füstölők A legkorábbi élőlény fosszília: 3,5 Mrd éves baktériumok

6 O2-termelő (aerob oxigenikus) fotoszintézis a leghatékonyabb CO2 + 2H2O -- fény (CH2O) + O2 + H2O a szénhidrátokban tárolt kémiai energiához a fogyasztó szervezeteknek lebontó anyagcserével kellett rendelkezniük először anaerob fermentáció útján, hiszen O2 nem állt kellő mennyiségben rendelkezésre a redukáló légkörben; hatékonysága mérsékelt a légkör oxidatívvá válásával az aerob respiráció (biológiai oxidáció) jelenik meg; egy nagyságrenddel hatékonyabb a fermentációnál; Az elhalt szervezetek jelentős része a tengerfenékre ülepszik ki, ezzel a bennük kötött C hosszú időre kivonódik a körforgásból. A fotoszintézis így egy második mechanizmus (a szilikátos kőzetek mállása mellett) a légkörből a CO2 kivonására. Oxidáló légkör kialakulása O2-termelő fotoszintézissel elsősorban a kékbaktériumok (cianobaktériumok) Az élő szervezetek működését korlátozó másik jelentős elem a N lehetett: a N2-kötés mechanizmusának evolúciója kb. 2,5 Mrd évvel ezelőtt (cianobaktériumok) Az élő szervezetek anyagcseréje anaerob környezetben alakult ki, az agresszív oxigén (oxidáció!) egyben megterhelést (stressz) is jelentett számukra, melyhez alkalmazkodniuk kellett. Így pl. a N2-kötést katalizáló nitrogenáz enzim csakis anaerob körülmények között működik, a fotoszintetizáló sejtekben viszont a vízbontás eredményeként O2 termelődik megoldás: színtelen heterociszták (nem fotoszintetizálnak) anaerob belvilággal végzik a nitrogénkötést, a többi kloroplasztiszt tartalmazó sejt fotoszintetizál.

7 Cyanobacteria egysejtűek vagy több sejt nyálkakolóniákban, Chroococcus Merismopedia Microcystis Cyanobacteria fonalasak, heterociszták, homogóniumképzés, akineták Oscillatoria Anabaena Nostoc Spirulina

8 Cyanobacteria Evolúciós történet 2.5 milliárd éves múlt; Szélesen elterjedtek a Proterozoikumban Mév előtt: a kékbaktériumok kora ; később az eukarióta és soksejtű szervezetek vették át a vezető szerepet; A Cyanobacteria az első valódi algák: oxigéntermelő fotoszintézist folytató, legfeljebb telepes szerveződésű vízi (vagy nedves élőhelyhez kötődő) szervezetek. Cyanobacteria Fontosságuk!!! 1) Az első szervezetek, amelyek mindkét fotokémiai rendszerrel (PSII és PSI) rendelkeznek (akárcsak a többi növény) és fotoszintézisük O 2 felszabadulással jár (H 2 O az e - donor). A Föld oxidatív légkörének kialakítása!! - biológiai oxidáció a soksejtű eukarióta szervezetek anyagcseréjének magas energiaigényét csak az oxigénes légzés biztosítja, az anaerob erjedés nem! Ózonpajzs a légkör külső határán, nélküle a felszínt elérő roncsoló UV sugárzás miatt csak 10 m vastag vízoszlop alatt lehet élet!

9 Cyanobacteria Fontosságuk!!! 2) légköri N 2 megkötése: számos kékalga képes rá: a N felvehető formává alakítása! JELENTŐS, hiszen a légköri N 2 bár bőséges - nem felvehető a legtöbb előlény számára (mert nehéz a 3-as kötés felbontása) A bioszféra termőképességét nagyban növelték! N N A legidősebb fosszíliák! egy élőlénycsoport óriási kőzetképzése 2.5 milliárd éves kékbaktérium maradványok sztromatolit sekélytengerekben kékalga bevonat nyálkaburkában CaCO 3 kicsapódás, kiegészíti a tengeri finom szediment kiülepedése napi ritmusú növekedés, heliotropizmus, kőpárnák ma is képződnek trópusi sekélytengerben, fosszilis sztromatolit telepek hatalmas kőzettömböket alkotnak.

10 Sztromatolit telep apálykor Cápa Öböl, Ny-Ausztrália

11 Az eukarióta sejt kialakulása: endoe ndoszimbionta organellumok Az eukarióta sejt kialakulásának lépései: 1. Kialakul egy anaerob (legújabb elmélet szerint fakultatív aerob), sejtfalát vesztett, fagocitálni képes amőboid előeukarióta; 2. Bekebelez egy aerob anyagcserére képes prokariótát, amit nem emészt meg, hanem mitokondriummá válva a sejt energiatermelő organelluma lesz (kb. 2 millárd éve). 3. Az ostor kialakulása (két felfogás: a) spirohéta szerű prokarióta endoszimbiózisával (pl. Margulis); b) önszerveződés útján (pl. Cavalier-Smith), kb. 1.5 milliárd éve. 4. Az immár kétostros protozoa bekebelez egy fotoszintetizáló kékbaktériumot kloroplasztisz. Ez a lépés csak egyszer az evolúció során, a sokféle kloroplasztisz további másodlagos szimbiogenezis eredménye. (kb. 1 milliárd éve). Az élet szárazföldre lép kb. 450 Méve Összetett szárazföldi növénytakaró, karbon kori dús erdők: 300 Méve Az élővilág evolúciója nem egyenletes: nagy kihalások

12 Tömeges kihalások