Studijní opora k výukovému modulu v oblasti přírodních věd MPV10 „Nové světy: mořské dno, deštné pralesy – nová naděje?“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím: 1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky, min. 5 aktivit pro SŠ, 3 aktivity pro ZŠ 2. st., 1 aktivita pro ZŠ 1. st.): a. popis vědeckých/badatelských aktivit (v laboratoři či terénu), b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka Materiál vytvořil expertní tým společnosti: Vysoká škola podnikání, a. s., Ostrava, Michálkovická 1810/181, 710 00 Ostrava - Slezská Ostrava IČ: 25861271, Tel.: +420 595 228 111, Web: http://vsp.cz/, E-mail:
[email protected] Vysoká škola podnikání, a.s. poskytuje vysokoškolské vzdělávání v akreditovaných studijních oborech programu Ekonomika a management pro bakalářské a magisterské studium už od roku 2000. Primární strategií při naplňování tohoto poslání je poskytovat vzdělávání, služby a výzkum k podpoře a rozvoji podnikavosti a podnikání prostřednictvím definovaných podnikatelských rolí, hodnotové orientace a klíčových kompetencí. Posláním školy je připravovat odborníky, kteří rozumí podnikání jako celku. Cílem VŠP je vychovávat podnikatele a manažery, kteří mohou být uplatnitelní a úspěšní v různých profesích a oborech. Studium je proto velmi přizpůsobeno praxi a požadavkům zaměstnavatelů.
Garant: prof. Ing. Vítězslav Zamarský, CSc. Autoři: prof. Ing. Vítězslav Zamarský, CSc., prof. RNDr. Miroslav Mašláň, CSc., doc. Ing. Josef Hurta, CSc.
© Vysoká škola podnikání, a. s., 2015
Obsah ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ................................................................. 7 1.
Země jako živá planeta. Jak jsme to poznali? .................................................................... 8 1.1.
Úvod: Klademe otázky a hledáme na ně odpovědi ..................................................... 8
2.
Deštné tropické pralesy .................................................................................................... 24
3.
Mořské dno ....................................................................................................................... 29
4.
Lidská společnost v současnosti a její globální problémy ............................................... 35
5.
4.1.
Nárůst lidské populace. Současnost a predikce. Uživíme se? ................................... 36
4.2.
Faktory, které ovlivňují produkci potravin: genetika a šlechtění .............................. 45
4.3.
Současné paradoxy .................................................................................................... 49
Svět a my .......................................................................................................................... 55 5.1. 5.1.1. 5.2.
Potravinová soběstačnost. .......................................................................................... 56 Spotřeba potravin ................................................................................................... 59 Nové technologie, nové možnosti ............................................................................. 60
Hydroponie ....................................................................................................................... 60 Akvakultury ...................................................................................................................... 61 Akvaponie ........................................................................................................................ 64 Kapková závlaha .............................................................................................................. 68
6.
5.3.
Pokrok ve šlechtění skotu .......................................................................................... 70
5.4.
Závěry ........................................................................................................................ 73
Nanotechnologie a nanověda na prahu 21. Století ........................................................... 76 6.1.
Co to je NANO? ........................................................................................................ 78
6.2.
Co jsou NANOTECHNOLOGIE? ............................................................................ 80
6.3.
Fyzikální podstata nanostruktur................................................................................. 82
6.4.
Historie NANO .......................................................................................................... 84
6.5.
NANO a příroda ........................................................................................................ 86
6.6.
Příklady umělých (syntetických) nanostruktur .......................................................... 88
6.7.
NANObudoucnost ..................................................................................................... 92
ČÁST B Pracovní aktivity pro studenty a žáky ....................................................................... 96 7.
PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL .............................. 96 Rajská zahrada nebo zelené peklo? ...................................................................................... 96 Co víš o deštných pralesech ................................................................................................. 97
8.
PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL .............................. 98 Tropické deštné pralesy a jejich význam v globálním ekosystému Země ........................... 98 Práce s mapou....................................................................................................................... 98 3
Život v tropickém deštném pralese ...................................................................................... 99 9. PRACOVNÍ AKTVITY PRO STUDENTY GYMNÁZIÍ A STŘEDNÍCH ODBORNÝCH ŠKOL ........................................................................................................... 100 Nadváha a obezita, výživová doporučení ........................................................................... 100 Výpočet BMI indexu .......................................................................................................... 102 Spotřeba potravin ............................................................................................................... 103 Půda – nejcennější bohatství pro lidi.................................................................................. 104 Plochy půdy v okrese ......................................................................................................... 107 Osevní plochy v okrese ...................................................................................................... 107 Stavy hospodářských zvířat v okrese… ............................................................................. 107 Vlastní poznatky o obhospodařování půdy v obci ............................................................. 107 Jak je využívána půda ve vaší obci? ................................................................................... 107 10.
Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce ............................... 108
New worlds: nanotechnology and aguaponie ..................................................................... 108 Nové světy: nanotechnologie a akvaponie ......................................................................... 115 ČÁST C Metodická příručka.................................................................................................. 121 Rajská zahrada nebo zelené peklo? .................................................................................... 121 Co víš o deštných pralesech ............................................................................................... 121 Tropické deštné pralesy a jejich význam v globálním ekosystému Země ......................... 123 Nadváha a obezita, výživová doporučení ........................................................................... 124 Půda – nejcennější bohatství pro lidi.................................................................................. 125
Cíl výukového modulu Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy Smysl výukového modulu lze již spatřovat z jeho názvu. Jde o objevování „nových světů“ na naší rodné planetě. Věda objevuje nová tajemství z dříve neprozkoumaných regionů a prostředí, tj. z oblastí mořského dna a deštných pralesů. Text kapitol přináší stručný sumář výsledků výzkumu. Lidská společnosti se v poslední době velmi rychle rozrůstá. Dnes už čítá více než 7 miliard obyvatel a tempo růstu se nezastavilo. Je proto nutno položit si otázku zda se při tomto trendu je schopno uživit. Věda zde ukazuje nové cesty potravinové zajištěnosti a zdůrazňuje nový význam zemědělství v budoucnu.
Znalosti
Jedním z nově objevených tajemství vědy je pohled na materiály v měřítku 1-100nm. Pohled na hmotu v tomto malém rozměru představuje opět „nový svět“. Je to svět nových technologií a materiálů s převratnými možnostmi využití v mnoha oborech lidské činnosti.
Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními výsledky výzkumu mořského dna a deštných pralesů, které pro člověka představují nové zdroje nerostných surovin a biomateriálů, které spolu s novým zemědělstvím poskytnou člověku podmínky pro jeho udržitelný rozvoj. Nové naděje pro člověka představují i nanotechnologie a nanomateriály, které jsou ukázkou, jak věda objevuje tajemství přírody a které ovlivní naší budoucnost.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 24 hodin.
5
Dovednosti
Seznam symbolů a zkratek
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU
KLÍČOVÁ SLOVA
RYCHLÝ NÁHLED V MODULU
CÍL
ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA
ŘEŠENÍ
SHRNUTÍ KAPITOLY
ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování získáte Základní znalosti, které jsou výsledkem dramatické cesty za poznáním principů života. Víme, že vývoj života probíhal podobně jako u přírody neživé, po časové spirále od forem jednodušších k formám vysoce organizovaným. Uvědomíme si, v čem spočívá klíč k obrovské rozmanitosti živých forem a jak život vůbec vznikl. Poznáme význam paleontologie, která hledá a zkoumá fosilie, jako posly minulosti. K úvahám o příčině obrovské biodiverzity přispělo poznání složení a funkce buňky, objev DNA a genové výbavy zkoumaných organismů a v poslední době ostře sledované problémy individuálního vývoje (ontogeneze) jako procesu cíleného a evoluce jako procesu historického a rozbíhavého.
Znalosti
Poznatky, které člověk získal díky dlouhodobému vědeckému bádání, které historicky provázelo mnoho ostrých, často osobních střetů, nás přivedlo k současnému rozvoji biologických věd, které v oblasti humánní i „zvířecí“ medicíny vtiskuje charakter a kvalitu lidského života. Genetika osvětlila mnohé, dříve nezodpovězené otázky a je i příslibem do budoucna. Dnes už se však nastoluje otázka zneužití výsledků vědy.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Darwin, Mendel, proterozoikum, fanerozoiku, fosilie, DNA, biodiversita, buňka, geny, protein, genom, ontogeneze, fylogeneze, evoluce, evolučně vývojová biologie (evo-devo), mutace. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 4 hodiny.
1. ZEMĚ JAKO ŽIVÁ PLANETA. JAK JSME TO POZNALI? 1.1.
Úvod: Klademe otázky a hledáme na ně odpovědi
Žijeme. Tento samotný fakt bereme jako samozřejmost. A máme štěstí, neboť jsme na jedné planetě, na které (alespoň podle dosavadních znalostí) život ve formách, které jsme poznali, existuje. To ještě neznamená, že nemůže existovat jinde ve Vesmíru. Dosud se nám ale nepodařilo ho objevit. Dnes už víme, že naše rodná planeta – Země – je planeta živá a planeta živých. Ale co o životě víme? V první části modulu si povíme o tom, co vlastně o životě víme a které objevy byly zásadní pro jeho současné chápání. Dlužno poznamenat, že „problém života“ není nový. Člověk se jim zabýval už před staletími. Ale teprve nové instrumentální techniky a technologie, nálezy již vyhynulých živočichů i rostlin a originální všímavost některých badatelů, např. Darwina či Mendela postupně posouvala vědecký výzkum směrem, ze kterého jsme získali nové a mnohdy velmi překvapivé výsledky. A vždy na této pouti za poznáním toho nejvýznamnějšího fenoménu se lidé střetávali s pověrami či dogmatickými, např. náboženskými představami a platili za to mnohdy vysokou daň. Tato dramatická cesta však ani zdaleka nekončí. Ani dnes totiž neumíme odpovědět na všechny otázky, které si o původu a rozvoji života klademe. Ale tato skutečnost je i jedním z charakteristických „tajemství vědy“. Když totiž nabýváš dojmu, že jsi přišel na to, na co bylo tvé zkoumání zaměřeno, vynořují se další otázky… A v plné míře platí i dnes slova anglického filosofa Robina G. Collinwoda (1889-1943), že „člověk v daném oboru vědy přestává být začátečníkem a stává se mistrem, když pochopí, že zůstane navždy jen začátečníkem“. Dnes máme za to, že život na naší planetě vznikl před 3,6 mld. let. Při hledání jeho stop musíme současně uvažovat o stáří naší planety, neboť rozvoj živých forem na Zemi se vyvíjel v závislosti na geologickém vývoji Země, na pochodech, které na nově se utvářené planetě probíhaly a měnily – mnohdy pozvolně, jindy však brutálně (z hlediska geologického času). Musíme sledovat nejen její pevnou, kamennou část, ale i složení a rozmísťování kontinentů, složení atmosféry, rozsah a složení moří a oceánů. Nejstarší horniny se podařilo objevit v r. 1999 v Kanadě a bylo jim přisouzeno stáří více než 4 mld. let do minulosti. Stáří planety Země je nyní udáváno číslem 4,8 mld. let. Z obr. č. 1 je zřejmé, že vývoj života probíhal podobně jako u přírody neživé, po časové spirále od živých organismů nejjednodušších až do formy nejvíce organizované, kterými jsme my, lidé moderní. My, kteří vidíme obrovskou rozmanitost živých forem kolem nás a ptáme se, v čem spočívá klíč k této rozmanitosti. Jak vznikl život a jak vypadaly jeho starobylé formy. A můžeme my, lidé tento dlouhodobý pochod nějak ovlivnit? Při řešení rébusu „vzniku a vývoje života“ se dostávaly do ostrého sporu dva přístupy: materialistický (evoluční, vývojový) a kreacionistický (stvořitelský). Spor probíhá i nadále a
zřejmě bude pokračovat i v budoucnu, neboť souvisí s diskusí o vzniku a vývoji Země. Hlavní diskutovatelné důvody jsou následující: 1) Všechen život na Zemi je spjat s litosférou (pevným svrchním obalem Země), hydrosférou (vodstvem) a atmosférou, tzn. základními součástmi stavby planety. 2) Pro vývoj života je zvlášť důležitý počáteční vývoj Země. 3) Chemické složení živé hmoty má svůj původ v prvcích, které byly k dispozici při formování Země a které se vyskytují ve Vesmíru. 4) Vývoj života závisí na změnách prostředí, tzn. na měnících se klimatických, tvarových a geologických charakteristikách. 5) Podle současných znalostí je život znám jen na naší planetě. Je proto nutné pochopit procesy, které probíhaly a probíhají na Zemi. Důležitým problémem, který byl a je řešen je pochopit základ (báze), na kterém je život založen. Kromě života založeného na uhlíku a vodě lze uvažovat i o bázi křemíkové a čpavkové. Chemické chování křemíku se podobá chování uhlíku. Svět je založený na křemíku, je považován za nepravděpodobný. Uvažuje se o typu života založeném na čpavku, který by nahradil vodu. Život tohoto typu by mohl existovat za mnohem nižších teplot, a pokud by vůbec vznikl, byl by velmi vzácný. Je zřejmé, že nejvýhodnějším typem života je model uhlíko-vodní. Zdá se, že základní podmínkou pro výskyt života našeho typu je přítomnost vody v kapalném stavu. Proto nalézáme život i ve velmi výjimečných podmínkách, např. v ledovcích a pod nimi, v hlubokomořských příkopech, kde panují obrovské tlaky, v sopečných kráterech s výrony jedovatých plynů, v horninách o hloubkách 5 km, ale i ve vnitřku atomového reaktoru. Vývoj života lze rozdělit do dvou velmi rozdílných časových úseků geologické historie Země: 1) Více než 3 mld. let trvajícího prekambria, ve kterém se objevil primitivní jednobuněčný život, podobný dnešním baktériím. 2) Mnohem kratší (asi 540 ml. let) období (fanerozoikum), členěné na paleozoikum (prvohory), mezozoikum (druhohory) a kenozoikum (třetihory + čtvrtohory – viz. obr. č. 1), ve kterém docházelo k postupnému rozvíjení živočišných i rostlinných forem, vznikal tak více buněčný život v obrovské pestrosti jak ho dnes známe. Postupný rozvoj forem života nebyl procesem nepřerušovaným. Naopak střídala se v něm období vymírání organismů i jejich exploze, jak ukazuje Vesmírný kalendář na obr. č. 2, ve kterém je zobrazen vývoj Vesmíru od Velkého třesku až po předpokládaný zánik sluneční soustavy. Vznik a rozvoj života na Zemi dal možnost vzniku biosféry. Biosféra je část planety Země obývaná organismy, to znamená s vhodnými podmínkami pro život. Slučuje v sobě jak oblast rozšíření organismů, tak i živou hmotu samu. V biosféře spolu všechno souvisí. Rozkladem 9
hornin vzniklá půda dodává živiny a vodu rostlinám. Rostliny poskytují zvířatům potravu a jako odpadní produkt fotosyntézy uvolňují kyslík. Organismy přeměňují potravu na energii pomocí procesu dýchání. Odpadním produktem dýchání je oxid uhličitý, který spotřebovávají rostliny při fotosyntéze. Odumřelé organismy vracejí živiny do půd. Řadu úloh plní rovněž atmosféra (ochrana před ultrafialovým zářením, zadržování tepla apod.). Obrázek 1 Geologický vývoj země
Vesmírný kalendář 1.1eden 0:00hodin
velký třesk, vznik prvků H, He...
1.1eden 0:14 hodin
odpojení záření od hmoty
5. - 13. leden
vznikají první hvězdy a černé díry hvězdy produkuji prvky C. N, O...
20 - 23. leden
nejstarší známé galaxie, výrony záření gama a kvazary
27. březen
„velká žranice", kvazarové maximum
1. září
vznik Slunce a Země
4. září
nejstarší minerály na Zemi: zirkon (Západní Austrálie)
14 - 19. září
první horninová krusta (Kanada) a sedimentační hornina (Grónsko)
19. září
první náznaky života (chemofosilie)
29. září
nejstarší fosilní pozůstatky, obtisky bakterií (stromatolity)
11. - 15. prosinec
Země jako sněhová koule
16. prosinec
cizorodé, znovu vymřelé organismy (fauna Ediacara)
16 - 19. prosinec
velký třesk evoluce (kambrická exploze; všechny živočišné druhy)
20 - 24. prosinec
les, ryby, plazi
24. prosinec
nejhorší hromadné vymírání (70 - 95% všech druhů)
25. prosinec
vznik savců
29. prosinec
vyhynuti dinosaurů
31. prosinec 20 hodin
první předek člověka; australopithecus
+ 6 minut
moderní člověk; homo sapiens
+ 70 vteřin
vymření neandertálců
+ 4,6 vteřiny
Ježíš Kristus
0.23 vteřiny
náš život (100 let)
12. 1eden
Země je příliš horká pro život 11
16. duben
Mléčnou dráhu pohltí Velká galaxie v Andromedě
10. července
Slunce se nadme a promění v černého obra
Když Leonardo da Vinci nalezl v šestnáctém století vysoko na svazích Apenin ve své rodné Itálii zkamenělé mořské lastury, usoudil, že tuto oblast v dávné minulosti pokrývalo moře. V tom můžeme spatřovat počátek zajímavého vědního oboru, který se zabývá výzkumem vyhynulých forem rostlin a živočichů. Tento vědní obor se nazývá paleontologie a jejím cílem je odhalovat jak vypadal život ve velmi vzdálené minulosti Země pomocí vybledávání a laboratorních analýz zkamenělin a fosilií. Zkamenělina je zbytek živého organismu, který byl pohřben a uchován v hornině. U zkamenělin se rozlišují tři základní typy: zkameněliny části těl (kosti, zuby, rostlinná hmota, schránky), zkamenělé stopy a tzv. chemofosílie. Zkamenělé stopy jsou nyní svědkové o činnosti kdysi dávno žijících tvorů, např. otisky šlépějí. Chemofosílie představují zbytky organických molekul někdejších živých organismů (např. DNA), získaných ze zkamenělých kostí nebo zubů. Zbytky živých organismů prochází mnohými různorodými geologickými pochody, a proto mohou mít i různorodou podobu a charakter. Být zkamenělinou není jen tak jednoduché. Po úhynu živočicha nebo rostliny bude záležet na tom, jakým způsobem dojde k pohřbení živočišného zbytku, tzn. na jakém místě, jakým způsobem a jak rychle. To vše předurčuje míru jeho zachování. Největší nadějí stát se fosilií má ten, jehož tělo bylo uloženo v bahnitém sedimentu a dále je s postupem času překrývalo dalším (jemnozrnným) segmentem (usazeninou). Minerální složky tkání a kostí mohou být také nahrazeny různými jinými minerály v sedimentu. Tlakem nadložních dochází ke stlačování uhynulého živočicha. Pokud je jeho tělo vyplněno vodou ještě před stlačením, zachová se ve svém původním tvaru, pokud až po stlačení vzniká, jeho stlačený otisk. Z nezpevněného sedimentu vzniká nakonec pevná vrstevnatá hornina obsahující fosilii. Hledáním zkamenělin se v minulých staletích ve světě věnovalo mnoho lidí různých profesí, ale i laiků. Jednotlivé nálezy se postupně kupily a vytvářely bohatě různorodou kolekci, která přinášela radost z nálezů překvapivě nečekaných forem, ale i ostré myšlenkové rozpory s vírou, že svět je velmi pečlivě uspořádán a každý živý tor v něm má své místo a účel a vždy je bude takto mít. Přicházelo se ale na to, že při přechodech do jiné vrstvy horniny určité druhy fosilií mizely, zatímco některé pokračovaly v následujících úrovních, nebo se tu objevovaly formy nové. Tyto skutečnosti vedly výzkumníky k názoru, že podle nálezů určitých druhů v té které vrstvě můžeme určit relativní stáří hornin, kdekoli se objeví. Fosilie tak začaly nabývat na významu. To ale nemění nic na faktu, že v přírodních vědách nebylo zdrojem divočejší nenávisti nikdy nic než rod dávných zvířat, známých dnes jako dinosauři. Ale to je už minulost. Současná paleontologie pracuje s relativním i absolutním stářím hornin a ve spolupráci s biologií je vynikajícím přínosem pro porozumění rozvoje života na naší planetě, byť zdaleka nedisponuje se všemi zkamenělinami, které by ráda analyzovala. Ty totiž nebyly dosud objeveny.
Rozvoj paleontologie je těsně spojen s Čechami. Největší popularity dosáhlo jméno u nás žijícího francouzského badatele Joachima Barranda (1799 – 1883), který vědecky zpracoval pozůstatky prvohorního světa organismů na území, které bylo po něm pojmenováno (Barrandien). V následujících obrázcích budou představeny nejznámější fosilie s jejich krátkým popisem. A je zřejmé, že jde jen o zcela nepatný zlomek průvodce vývojem života na Zemi. Obrázek 2 Pavouk zachovaný v jantaru
Obrázek 3 Tajemný disk Medúza? Ediakarská fauna, protero zoikum
13
Obrázek 4 Charnia připomíná zpeřený list, žijící na mořském dně. Proberozvikum
Obrázek 5 Trilobit rodu Paradoxides, dravý členovec
Obrázek 6 Lepidodendron - otisk kůry stromovité plavuně. Karbon
Obrázek 7 Discoserra - tropická ryba, spod. Karbon
15
Obrázek 8 Gingko - charakteristické listy Jinanu. Jura
Obrázek 9 Libellulium - pravěká vážka. Jura
Obrázek 10 Archaeopteryx. Historicky nejslavnější fosilie. Nejstarší pták. Křída
Obrázek 11 Darwinius. primát "Ida" velikosti veverky. V žaludku zůstala potrava z listů a plody.
17
Obrázek 12 Samice bizona. Kresba v jeskyni Altamira
Pozn.: Obrázek 12 ukazuje nádhernou samici bizona, malovanou v jeskyni Altamira v severním Španělsku. Pravěcí umělci používali přírodní barviva – okr, hematit nebo uhlíky a využívali přitom členitý povrch v jeskyni. Stáří malby 14500 let.
Výzkum fosilií ukázal jak mnohotvárnost vyhynulých forem rostlin a živočichů, ale i nárůst jejich organizace – od forem primitivních po složité – v průběhu vývoje živé hmoty na Zemi. Již jsme ale řekli, že stát se fosilií není vůbec snadné. Naprostá většina organismů se po smrti zcela rozloží. Předpokládá se, že to může být až 99%. Fosilie jsou tedy nesmírně vzácné. Odhaduje se, že mezi známé fosilie se v průměru dostal necelý jeden druh z deseti tisíc. Navíc nalezené fosilie jsou značně nesourodé a nereprezentativní. Tyto všechny skutečnosti byly a jsou i dnes motivem sporů o interpretace některých nálezů. Vzdor této skutečnosti paleontologie prokazuje obecně vývojové schéma živých organismů v čase. Obrovská rozmanitost současně žijících forem (biodiversita), které nebyly spočítány a jejich výskyty i v extrémních podmínkách nutí člověka k pochopení podstaty této rozmanitosti a k pochopení podstaty života a jeho rozvoje na Zemi vůbec. A že nejde o otázky pouze „akademické“ či bezvýznamné je nasnadě, neboť kdybychom toto tajemství znali, mohli bychom je využít pro účely léčebné, pro volbu optimálního způsobu života člověka, pro obranu živých společenství (ekosystémů), pro zjištění potravinových potřeb velmi rychle narůstající lidské populace apod. Jde tedy o vážný problém. A není divu, že se stal i vůdčím problémem vědy, a to po celá staletí. Na výsledcích bio-výzkumu se podílela dlouhá řada badatelů, kteří těmto problémům zasvětili celý svůj život a posouvali znalosti kupředu. Mnohé z těchto velikánů dobře známe, neboť svými výsledky přispěli k revolučním názorovým změnám (Darwin, Mendel, Purkyně a řada dalších), většina ze stovek badatelů, ale i zvídavých laiků zůstává ve světě anonymity. Ale bez jejich poznání a umění dívat se na přírodu jinak bychom nedosáhli toho, co víme o přírodě dnes. Jedním z významných kroků v poznání života bylo poznání buňky. Každá buňka v přírodě je malý zázrak. I ty nejmenší přesahují hranice lidské vynalézavosti. Bryson (2003) uvádí, že „kdybyste na příklad chtěli zkonstruovat základní kvasinkovou buňku, potřebovali byste přibližně stejný počet miniaturních složek, jaká se nachází v letadle značky Boeing 777, a
instalovat je do koule o průměru 5 mikronů. Potom byste tu kuličku museli nějak přesvědčit, aby se rozmnožovala“. Poznání stavby a funkce buňky byl bezesporu zásadním objevem v biologii. Dalším zásadním objevem bylo zjištění způsobu přenosu vlastností „rodičů na potomky“. Tedy objevení podstaty dědičnosti. Obrázek č. 13 tuto problematiku stručně objasňuje. Objevitelé DNA (Watson, Crick) se domnívali, že když můžeme určit tvar molekuly DNA, budeme schopni také zjistit, jak dělá to, co dělá. V podstatě měli pravdu, ale šlo jen o počátek poznávacího procesu funkce DNA. I dnes je ještě na DNA mnoho věcí, kterým nerozumíme. Nevíme např., proč se zdá, jako by většina této molekuly nic nedělala. Jen tu a tam na dlouhém vlákně najdeme úseky, které kontrolují a organizují vitální funkce. Jsou to zvláštní a dlouho nezachytitelné geny. A geny představují instrukce k tvorbě proteinů. Spojením všech genů dohromady dostaneme genom. Jiný způsob pohledu na genom je považovat jej za jakýsi manuál instrukcí pro tělo. Chromosomy si tak můžeme představit jako kapitoly v knize a geny jako individuální pokyny k produkci proteinů. Slova, ve kterých jsou pokyny napsány, nazýváme kodóny a písmena genetické abecedy jsou známá jako báze. Jak vidíme na obr. č. 13, tvar molekuly DNA vypadá jako točité schodiště. Je to slavná dvojitá šroubovice. Postranice žebříku této struktury jsou tvořeny druhem cukru, nazývaným deoxyribóza a celek šroubovice je nukleová kyselina. Odtud je název deoxyribonukleová kyselina – DNA. Příčky jsou tvořeny dvěma bázemi, písmeny, spojujícími prostor mezi nimi. Pořadí, ve kterém se tato písmena objevují při pohybu po žebříku nahoru a dolů, tvoří kód DNA. Zvláštní dokonalost DNA spočívá v jejím způsobu reprodukce (replikace), jak bude vidno u následujících obrázků. Obrázek 13 Geny a DNA
19
Jak jsme si ukázali, nové poznatky v živé přírodě byly poháněny dvěma největšímu revolucemi v biologii – v evoluci a v genetice. Druhovou mnohotvárnost jak u fosilií, tak i u živých organismů vysvětlil Darwin jako výsledek dlouhodobého přírodního výběru. Molekulární biologie objasnila, jak je u všech druhů dědičný základ zakódován v molekulách DNA, kterou vytvářejí pouhé čtyři základny složky (báze). Klíčem k pochopení jak se jednotlivé formy (tvary) vytvářejí je tzv. ontogeneze, prostřednictvím které dává jednobuněčné vajíčko vzniknout složitému živočichovi, složenému z mnoha miliard buněk. Bylo zjištěno, že změnami v embryích vyvstávají změny ve formě. V posledních desetiletích se v biologii rozvinula nová „revoluce“. Pokroky ve vývojové biologii a evolučně vývojové biologii, přezdívané evo-devo odhalují mnohé o neviditelných genech a určitých jednoduchých pravidlech, která určují tvar živočicha (jak se dělá zvíře) i evoluci (vývoj) tohoto tvaru. K současným novým zjištěním přispěl pochopitelně široce zaměřený výzkum, především mouchy octomilky, bakterie Escherichia coli, pozorování struktury a barevnosti motýlích křídel, pruhování u zeber, řešení genomu šimpanze a člověka. Výzkum nabídl ohromující a neočekávaná zjištění, která přetváří náš obraz o tom, jak evoluce funguje. Nikdo totiž nepředpokládal, že tytéž geny, které řídí vytváření hmyzího těla a orgánů, řídí také vytváření těl mušek. Následující obrázky podají alespoň stručnou ukázku tohoto stručného komentáře. Záměrem předchozích řádků uvádíme dvě dnes většinou zastávané poučky, které jak komentuje Markoš in Carroll (2010), jsou od Darwinovy doby zdrojem poznání, ale i sporů: 1. Individuální vývoj (ontogeneze) je proces naprogramovaný, cílený, sbíhavý, končící ve většině případů dospělým jedincem schopným oplodit další generaci. 2. Naproti tomu evoluce, jak ji předkládá Darwinismus, je proces historický, rozbíhavý, který nemá žádný program a cíl. V jednotlivých liniích vznikají nejrůznější, většinou nepatrné odchylky (mutace) od původního programu (viz předchozí bod 1), a to všemi myslitelnými směry a navíc náhodně a nepředvídatelně. Mutace se projeví na vzhledu a životaschopnosti jejich nositelů. Za to, že existují od sebe odlišné formy (místo plynulých přechodů), vděčíme přírodnímu výběru, který dovolí plodit potomstvo jen těm podobám, které nejlépe vyhovují kontextu prostředí. Vznik nových forem je tedy pozvolný a nepostřehnutelný. Náhle velké mutace vedou ke zrůdám, které nepřežívají. Podle dnes převládajícího neodarwinistického názoru se mutace týkají programů uložených v DNA, zmíněných v bodě 1.
Obrázek 14 Chromosomy, DNA, geny. Chromosomy obsahují dlouhé molekuly DNA, které kódují tisíce genů. DNA se skládá ze dvou vláken nukleotidů(A, C, G a T), které drží pohromadě vazby mezi bázemi na opačných vláknech. Jednotlivé geny jsou zakódovány v různě dlouhých úsecích DNA
zdroj: Carroll, (2010).
Obrázek 15 Dekódování informace obsažené v DNA. První krok je přepis do molekuly mRNA, druhý krok je přesun z mRNA v molekulu proteinu.
Zdroj:. Carroll, (2010)
21
Obrázek 16 Montážní sada pro ontogenezi. Výstavbu a tvarování živočišných těl řídí několik různých druhů proteinů ze sady
Zdroj: (Carroll, 2010)
Obrázek 17
a) Detailní pohled na šupinky na motýlím křídle. Každá šupinka je výtvorem jediné buňky b) Detailní pohled na oční skvrnu motýla, tvořeným řadami šupinek
SHRNUTÍ Je podán stručný přehled historie bádání o „problému života“. Vývoj živých forem je těsně spjat s geologickým vývojem Země. Ten je formou Vesmírného kalendáře vztažen na časovou škálu vývoje Vesmíru. Podrobněji jsou představeny stopy života v minulosti – fosilie. Nový pohled na biodiverzitu a její vývoj přinesly poznatky o buňce a životě na její úrovni. Objevení dědičného kódu a závěry evolučně vývojové biologie jsou příslibem pro udržitelný rozvoj člověka a jeho kvalitu. KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Ovlivňuje člověk biodiverzitu? Můžete uvést příklady? 2. Jaký máte názor na Darwinův odkaz? 3. Víme, jak se zrodil život na Zemi? ŘEŠENÍ Nové poznatky z oblasti biovědních oborů jsou natolik závažné, že se hovoří o tom, že 21. století lze nazvat stoletím biologie. Vznikají moderní centra excelence, které zkoumají možnosti léčby dosud nevyléčitelných chorob, transplantací orgánů, ale i využití (zneužití) poznaných principů života ve vojenství. Měníme své postoje a dostáváme se mnohdy do rozporu s etikou. ÚKOLY K PROCVIČENÍ Najděte ve svém okolí – v přírodě či jinde – fosilie, popište je a pokuste se je identifikovat
23
2. DEŠTNÉ TROPICKÉ PRALESY CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Čtenář se seznámí s prostředím, které hraje v globálním ekosystému Země významnou úlohu. V deštných pralesech žije enormní množství živočišných forem a rostlinstva, většinou dosud nepopsané. Člověk se snaží pochopit chemickou obranu rostlin a produkci sloučenin, jež mohou být využité v lékařství i jinde. V deštném tropickém pralese lze studovat vztah evoluce a ontogeneze. Již dávno je známa funkce tohoto ekosystému jako „plíce Země“.
Znalosti
Z dosavadních výzkumů vyplývá, že deštný tropický prales je nesmírně cenným ekosystémem (viz výše), který člověk dosud nedocenil. Naopak jeho kácení a biologické pustošení jako důsledek kořistnického vztahu člověka, může znamenat nenávratné škody. Nutno uvítat iniciativu o ochranu tohoto prostředí vedenou přes OSN a jiné organizace.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Vegetační typy, ekosystém, biomedicína, džungle, evoluce, ontogeneze, symbióza, biodiverzita. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je cca 3 hodiny.
Vegetační typy na Zemi lze členit v závislosti na průměrných ročních srážkách a průměrné roční teplotě (obr. č. 18). Tropické deštné pralesy pokrývají cca 6% zemského povrchu. Představují jedinečný ekosystém, ve kterém žije více než polovina živočichů, obrovské množství hmyzu a asi 2/3 kvetoucích rostlin, z nichž většina je nám neznámá, neboť je nikdo nenavštívil a odborně nepopsal. Protože rostliny nemohou uprchnout před predátory, uchylují se k chemické obraně a obohacují se o cenné dráždivé sloučeniny. Tyto sloučeniny mohou být nesmírně užitečným materiálem pro farmaceutický průmysl, který z nich může vyrobit aktivní léky v biomedicíně. To platí nejen pro floru, ale i pro faunu džungle. Že se dají využívat specifické druhy rostlin i živočichů z džungle, to dokazují i šamani z domorodých kmenů, kteří využívají účinky jim známých forem pralesa k léčbě členů své komunity. Obrázek 18 Klimatické vegetační typy
Zdroj: (Schejbal, 2008)
Deštný prales (džungle) vlastně představuje otevřenou knihu, ve které můžeme studovat na mnohých živých objektech i vztah evoluce a ontogeneze, jak jsme o tom psali v předchozí části. Je tedy nepochybné, že ekosystém deštného pralesa ve své jedinečnosti je jedním, z nejcennějších sektorů naší planety a neplní pouze úlohu „plíce Země“. Zdálo by se logické, že člověk jako myslící bytost by měl tropické deštné pralesy chránit. Skutečnost je však mnohdy jiná. Lidstvo během svého vývoje s přechodem na zemědělskou výrobu stále více rozšiřovalo zemědělskou půdu na úkor lesů, včetně tropických deštných pralesů. Ty se začaly využívat nejen jako zdroj nové půdy, ale i jako zdroj paliva, kaučuku, v poslední době i jako zdroj ložisek ropy, nacházejících se hluboko v podloží vegetačního krytu apod. V současnosti jsme svědky doslovné invaze úzce zaměřeného turistického ruchu, pro který se připravují 25
dopravní trasy vypálením vegetace či se staví speciální lanové dráhy, ze kterých lze pozorovat floru a faunu z výšky, přesahující nejvyšší patra porostu. Často při takových příležitostech už nejde o „poznání nádherné přírody“, ale o chamtivost investorů, kteří se o narušení či ničení přirozeného životního prostředí pralesa vůbec nezajímají. Mnohdy ještě stále přežívající představa, že spálením či vyklučením pralesa získáme novou půdu, která pomůže člověku získat nové potravinové zdroje v jeho populační explozi, je fatálním omylem. Naopak škody, které by touto cestou vznikly, by měly tragické dopady v dalším rozvoji lidstva a popsaný postup by byl zcela v rozporu se všeobecně přijatou filosofií „trvale udržitelného rozvoje“. Deštné tropické pralesy (džungle) jsou tvořeny vysokými stálezelenými stromy s hustým a téměř neproniknutelným porostem. Největší zachovaný komplex leží v povodí Amazonky. Na obr. č. 19a – 19j, jsou patrny některé typické scenérie amazonského pralesa, jak je poznamenali členové německé výzkumné expedice. Škoda jen, že tyto obrázky nemohou být doprovázeny zvukovým obrazem z „denní či noční“ džungle. Ten, kdo měl to štěstí, že se mu šance návštěvy džungle (nikoliv turistické) naskytla, ten si navždy vryl do paměti, co to je fenomén život. Obrázek 19 Typické scenérie amazonského pralesa
Obr. č. 20 představuje družicový snímek povodí řeky Vichada (Kolumbie), která dělí na snímku savanu (horní část) od tropického deštného pralesa Amazonie (spodní část). Zelené skvrny v hnědé barvě džungle představují kolonizovanou část – ostrovy vypáleného lesa. Obrázek 20 Družicový snímek povodí řeky Vichada
27
SHRNUTÍ Text objasňuje význam deštného tropického pralesa a podává zdůvodnění této skutečnosti. Ukazuje na historii, jeho využívání a na současný nástup turistického ruchu v tomto zájmovém objektu. Je popsána struktura pralesu i škody, způsobené člověkem při těžbě dřeva či nerostných surovinových zdrojů (ropy aj.). KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Které tropické deštné pralesy znáte? Znáte některé původní obyvatele tohoto prostředí? 2. Kde začala těžba kaučuku? ŘEŠENÍ Jedinečnost přirozeného prostředí deštného tropického pralesa je nutno podpořit i při rozvoji speciálně zájmového turistického ruchu poukazem na známé normy chování člověka vůči nesmírně atraktivnímu prostředí pralesa. ÚKOLY K PROCVIČENÍ Jste schopni při návštěvě ZOO poznat živočichy, jejichž přírodním prostředím je tropický deštný prales? Sledujte jejich adaptibilitu v podmínkách ZOO.
3. MOŘSKÉ DNO CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Člověk dávno pochopil význam moří a oceánů pro jeho výživu a formování klimatu. Překvapením byly nálezy na mořském dně díky moderním technickým prostředkům. Šlo o objevy zcela nových organismů, o neočekávané tvary povrchu mořského dna a zjištění nových, perspektivních zdrojů nerostných surovin a recentní tvorbu již známých typů.
Znalosti
Vědecký význam z poslední doby umožnil zmapovat akumulace surovinových zdrojů na mořském dně, jako např. rudonosné konkrece, hydráty metanu, sulfické rudy, ložiska vzácných kovů apod. Jedná se mj. o strategické suroviny, o jejichž právo na budoucí těžbu usiluje řada vyspělých států, včetně ČR. Společenství organismů v prostředí hydroterm se dají do souvislosti se způsobem vzniku života na Zemi.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Plankton, hydráty metanu, železo-manganaté mořské konkrece, černí kuřáci, bílí kuřáci, hydrotermy, biotechnologický potenciál. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je cca 2,5 hodiny.
29
Země se z Vesmíru jeví jako modrá planeta; tento obrázek všichni známe. Důvodem je skutečnost, že převažující část pokrývají oceány, ve kterých je soustředěno přes 97% veškeré pozemské vody. Význam oceánů je všeobecně znám a znali ho např. staří mořeplavci i zemědělci, kteří chápali vliv moře na klimatické poměry. Člověk rovněž dávno pochopil význam moří a oceánů pro jeho výživu, neboť v něm žije obrovské množství živých tvorů. Od nejmenších mikroskopických rozměrů (plankton), až po živočichy grandiózních rozměrů (žraloci, velryby, krakatice aj.). Jde tedy opět o jedinečný ekosystém, který je nutno chránit, neboť ovlivňuje přímo i nepřímo život všech živých organismů na souši. Stále se rozvíjející technický pokrok (družicová, pozorování, výzkum moří z lodí) se postupně zaměřoval na to, jak vlastně vypadá mořské (oceánské) dno. Výsledky takových pozorování přinesly mnoho překvapivých a nečekaných skutečností. Nejde jen o objevy zcela nových organismů, které žijí v podmínkách bez slunečního svitu a ve velkých tlacích, souvisejících s hloubkou vodního sloupce, s neočekávanými úkazy a tvary povrchu mořského dna, které souvisí s vývojem zemské kůry, ale i s novými zdroji nerostných surovin. A o nich se zmíníme podrobněji. Je bez jakýchkoliv diskusí, že úspěšný rozvoj lidské civilizace byl, je a bude závislý na surovinových zdrojích, na energii a jejich optimálním využívání. V současnosti se už využívají nebo se uvažuje o možnostech využití nových netradičních surovinových zdrojů. Patří sem získávání některých surovin z mořské vody (soli, v budoucnu možná i uranu, zlata a dalších prvků) a z mořského dna: rudonosné konkrece, kůry a bahna, hydráty metanu, současně vznikající sulfidické rudy. Od 60. let minulého století se velká pozornost výzkumu věnuje tzv. manganovým konkrecím, které byly objeveny na mořském dně již před více než 100 lety. Tyto útvary o velikosti několika centimetrů a tvarem podobné bramborům se nachází v určitých oblastech mořského dna (viz obr. č. 21). Mají vrstevnatou, koncentricky uspořádanou stavbu a obklopují zrno písku, žraločí zub, úlomek kostí apod. (obr. č. 22, 23) Tyto útvary „volně ložené“ na mořském dně představují ložiska manganu a především barevných a vzácných kovů, které jsou významnými složkami nových materiálů. Předpokládá se, že tento surovinový zdroj by se mohl prakticky využívat po dořešení způsobu těžby, která by nutně obsahovala ochranu mořského prostředí. Že se jedná o surovinu strategickou, svědčí zájem mnoha vyspělých států zajistit si právo na budoucí těžbu této suroviny. Na obr. č. 21 je patrný i region zájmu České republiky. V posledních desetiletích se soustřeďuje pozornost na bohaté akumulace sulfidických rud, které vznikají vysrážením z podmořských hydrotermálních výronů (výstupů horké vody ze dna). Těmto útvarům se říká „černí kuřáci“ a nalézají se v určitých zónách mořského dna. Jejich produktem jsou bohaté rudy mědi, zinku, zlata a stříbra. Byly objeveny i tvary horkých vodních výronů, zvaných „bílí kuřáci“, které vytvářejí rudy olova, zinku mědi, rtuti aj. V prostředí podmořských hydroterm byla zjištěná nová a překvapivá společenstva organismů, která pro svůj život využívají síru, vodík, metan a další složky přinášené hydrotermami a vytvářejí potravinovou základnu pro život vyšších organismů, jako jsou gigantičtí trubkovití
červi, mlži, garnáti, krabi nebo chobotnice. Tato společenstva se v poslední době dávají do souvislosti se způsobem vzniku života na Zemi. Za velmi perspektivní nerostnou surovinu (nejen moře) se považují metanové hydráty. V r. 1970 byly zjištěny na mořském dně a od té doby se začalo uvažovat o jejich energetickém využití. Hydráty jsou pevné látky podobné ledu, ve kterých molekuly vody vytváří jakousi „klec“ kolem molekul uhlovodíků. Výzkum hydrátů věnují značnou pozornost zejména státy chudé na ropné zdroje. Kromě vyhledávání nerostných surovin v oceánech má obrovský význam výzkum biotechnologického potenciálu mořských organismů. Korálové útesy a mikroorganismy obsahují řadu neobvyklých chemických sloučenin, které se prověřují z hlediska jejich využití v boji s různými formami rakoviny, AIDS, cukrovky a řady dalších nemocí. Zejména mikroorganismy, které žijí v extrémních prostředí podmořských hydroterm, se vyznačují speciálními strukturami, způsoby množení, ochrannými, senzorickými a jinými mechanismy, které by mohly být využity ve prospěch člověka, jsou proto dnes v centru pozornosti farmacie a biomedicíny. Závěrem této prvé části modulu můžeme již odpovědět na otázku, zda ony nové světy, tzn. deštné tropické pralesy a mořské dno, jak je chápeme na základě vědeckého poznání, dnes mohou pro člověka znamenat novou naději pro jeho další rozvoj. Odpovědí je ANO. Mohou, pokud ji chceme a budeme umět pochopit a podle toho se vůči přírodě, jejíž jsme součástí, chovat.
31
Obrázek 21 Výskyty manganových konkrecí na mořském dně. Region zájmu ČR je v oblasti č. 1
Obrázek 22 Konkrece „vyrostlá“ na zubu žraloka
Obrázek 23 Stavba mořské konkrece, řez napříč
Obrázek 24 Tvar mořských konkrecí
33
SHRNUTÍ Text kapitoly hodnotí ve stručnosti nové poznatky, kterých bylo dosaženo moderním průzkumem mořského dna. Jde o mnohdy překvapivé skutečnosti, které v mnohém přehodnocují předchozí představy člověka o tvorbě některých ložisek surovin, o metabolismu zemské kůry, o možnostech vzniku života na naší planetě v extrémních podmínkách. Obrovský význam má výzkum biotechnologického potenciálů mořských organismů v boji s různými, dosud neléčitelnými chorobami. KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Poznáte z mapky, uvedené v textu, oblast Tichého oceánu s přednostním právem na využití lukrativních surovin budoucnosti pro ČR? O jakou surovinu jde? ŘEŠENÍ Při rozsáhlé diskusi o výsledcích vědeckého výzkumu na mořském dně jde nejen o využití bohatého bio a surovinového potenciálu, ale i o dodržení zásad o neporušení nově ověřených ekosystémů v případě budoucí exploatace strategicky významných materiálů mořského dna. ÚKOLY K PROCVIČENÍ Přemýšlejte jak je možno odebírat vzorky surovin či živočichů z mořského dna, často ve velkých hloubkách, a provádět souběžně s odběrem materiálu jeho pečlivou dokumentaci.
4. LIDSKÁ
SPOLEČNOST
V SOUČASNOSTI
A
JEJÍ
GLOBÁLNÍ PROBLÉMY CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Žijeme ve světě, který se urychleně proměňuje a ve kterém nemáme žádnou jistotu, že to co máme k dispozici, budeme mít i v budoucnu. Kapitola se zabývá zabezpečování potravy a s tím související potřebu vody. V posledních dekádách stoupá počet obyvatel, dnes je nás více než 7 mld., do r. 2050 se předpokládá dosažení 9,6 mld. Lidstvo má pro svou obživu k dispozici půdu, vodu a dnes i další faktory, které ovlivňují produkci potravin: genetiku a šlechtění. Jsme svědky paradoxů: Obyvatelstvo vyspělých zemí má k dispozici a konzumuje přebytek potravin, obyvatelé mnoha rozvojových zemí trpí podvýživou. Problémem se stala nadváha a obezita.
Znalosti
Podrobná analýza potravinové soběstačnosti ve vztahu k nárůstu lidské populace, její věkové struktury, typologie, trendům osídlení a dalšího růstu populace ukazuje, že nezbytnými zdroji k výrobě potravin zůstávají půda, voda a úroveň biologických organismů – pěstovaných plodin, chovaných zvířat. Z toho plyne požadavek na ochranu a péči o půdu, což se v současnosti vždy neděje. Voda se stává strategickou surovinou. Protože zemědělství spotřebovává 70% vody, hledají se systémy efektivního získávání a využití vody i snahy vyšlechtit plodiny na vodu méně náročné. Šlechtění nových výnosných odrůd se urychluje využitím genových manipulací. Vědecké poznatky z biologie a matematiky ve spojení s výpočetní technikou významně zasáhly do šlechtění dobytka. Současné znalosti vědy umožňují sestavovat výživová doporučení k omezení nadváhy a obezity.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Predikce, FAO, půda, voda, úrodnost, OECD, klima, genetika, šlechtění, biotechnologie, hybridizace, rekombinace DNA, GM plodiny, animal model, genetický zisk, selekční programy, lidský faktor, obezita, BMI index, výživová doporučení, energetické plodiny. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu činní cca 3,5 hodiny. 35
Žijeme ve světě, který se nám proměňuje před očima, ve světě, ve kterém nemáme žádnou jistotu, že to co dnes máme k dispozici, budeme mít i v budoucnu. Žijeme ve světě, který nabízí tolik možností nového poznání o kterém se nám dosud ani nesnilo. Člověk ke svému životu potřebuje nezbytně potravu, vodu, vzduch a v našich podmínkách i něco na sebe a příbytek, který ho chrání před nepřízní počasí. Pro život potřebuje také energii (dřevo, uhlí, elektřinu, plyn). My se budeme zabývat jen jednou z nebytných potřeb a to zabezpečováním potravy a s tím související potřebu vody. Dnes si nesháníme potravu v přírodě, jak to dělali naši předkové v minulosti (sběr plodů a lov zvěře), ale opatřujeme si potraviny, nebo hotová jídla. Výrobou potravin se zabývá zemědělství. Zabývá se pěstováním plodin, chovem zvířat a zemědělské produkty dodává jak pro přímou spotřebu, tak pro zpracování na potraviny nebo průmyslové suroviny. Výroba v zemědělství má biologický charakter (pěstuje a chová živé organismy – rostliny a zvířata), je silně ovlivňována půdními a klimatickými podmínkami a je závislá na počasí. Závislost na počasí se týká pěstování plodin a způsobuje kolísání sklizní zemědělských plodin. Objem výroby v zemědělství (objem výroby potravin) je dán výměrou obhospodařované půdy a úrovní využívaných biologických organismů. (výnosy plodin, užitkovost zvířat). Dá se říct, že práce v zemědělství probíhá za neustále se měnících podmínek. Každý den je jiný, každý týden, každý měsíc, každý rok je jiný a člověk musí reagovat na neustále se měnící podmínky.
4.1.
Nárůst
lidské
populace.
Současnost
a predikce.
Uživíme se? Nárůst lidské populace V roce 2012 překročil počet obyvatel 7 mld. osob a FAO odhaduje, že do r. 2020 vzroste na 7,7 mld. a do r. 2050 na 9,6 mld. osob. Od roku 1970 se světová populace zdvojnásobila. I když se růst světové populace zpomaluje, předpokládá se zvýšený růst v mnoha rozvojových zemích. Tempo růstu populace je nerychlejší v nejchudších zemích. Roste průměrná délka života – za posledních deset let vzrostla o 3 roky a činí 70 let. Na světě je dnes 27% lidí mladších 15 let a 8% ve věku 65 let a starších. Rychle roste městská populace. V roce 2008 překročila městská populace 50% světové populace. Regionální rozdíly jsou ale velké. V Africe nadále žije 61% lidí na venkově a v Asii 55%. Rovněž hustota obyvatel (počet obyvatel na km2) je podle regionů velmi rozdílná. Nejvyšší je v Asii, kde na každém km2 žije 134 lidí a nejnižší v Latinské Americe a v Karibiku, jen 29 lidí na km2. Průměrná hustota ve světě byla 54 lidí na km2 v roce 2010.
Tabulka 1 Růst počtu obyvatel na světě Počet obyvatel Svět 7100 7000
6998
6815
miliony osob
6800
6754
6700
6673
6600
6593 6514
6500 6436
6400
6351
6300
6281 6204
6200 6100
7012
6916
6900
6128
6000 2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
rok
Graf 1 Průměrný roční růst populace v období 2000 – 2011 v procentech
Z mapy vyplývá, že nejrychleji přibývalo lidí v subsaharské a střední Africe, na Arabském poloostrově, v Afganistanu, ale také v Indii, Pákistánu, Austrálii, v severovýchodní Africe. Na druhé straně se snížil počet obyvatel v Rusku a stagnuje ve střední a východní Evropě.
37
Graf 2 Populace 0 – 14 let a nad 60 let
Graf 3 Hustota obyvatel v roce 2010
Jen Evropa má téměř vyrovnanou populaci ve věku 0 – 14 let s populací 65 let a více. Evropa je tak regionem s nejstarší populací. Nejmladší populaci se 40% lidí do 14 let má Afrika. V průměru na světě je podíl populace do 14 let 27%. Lidská populace se neustále rozrůstá. Ale podle Globtrendu 2030 svět spotřebovával v sedmi z posledních 8 let více potravin než kolik jich vyrobil a globální produktivita klesla ze 2% v létech 1970 – 2000 na 1,1% v posledním období. Přitom se předpokládá, že poptávka po potravinách vzroste do r. 2030 o 35%. Základními nezbytnými zdroji k výrobě potravin jsou půda, voda a úroveň biologických organismů (pěstovaných plodin, chovaných zvířat). Co má lidstvo pro svou obživu k dispozici Půda Půda představuje pro lidi nejcennější bohatství, které na druhé straně vyžaduje od lidí mimořádnou pozornost a ochranu. Zvlášť důležitá je plocha porostená rostlinstvem. Půda plní v přírodě dvě základní funkce: a) přírodní funkce (přírodní zdroj) b) užitkové funkce pro člověka
Přírodní funkce: Rostliny vytváří v procese fotosyntézy organickou hmotu, akumulovaná sluneční energie se ukládá ve formě půdního humusu a tak se přes půdu energeticky obohacuje planeta Země. Půda tvoří životní prostor pro rostliny a půdní organismy, pro zvířata a člověka, je základem života a probíhá přes ni koloběh látek, zejména vody a živin. Užitkové funkce pro člověka: Půda je stanovištěm zemědělských a lesních plodin (v souladu s přírodní funkcí půdy) Půda je také prostorem pro hospodářské využití, jako je prostor pro bydlení, odpočinek, sport a rekreaci, budování dopravních a jiných sítí (ropovody, plynovody, elektrické rozvodné sítě), zařízení pro zásobování, pro ukládání odpadů a. Je také prostorem pro dobývání surovin. Výměra zemědělské půdy se ve světě v období 2000 – 2011 snížila o 0,5 %, tj o 13,5 mil, ha. Obrázek 25 Půda v přírodě
Orné půdy však přibylo o 16 mil. ha a trvalých výsadeb o 19 mil. ha. Snížila se rovněž plocha trvalých luk a pastvin o 51 mil. ha a plocha lesní půdy o 48 mil. ha. Významně se zvýšily vodní plochy o 24 mil. ha. Plochy půdy jsou uvedeny v grafu 4 a změny ploch v tab. 2 Vývoj v tomto období probíhal rozdílně v jednotlivých oblastech světa. V Indii se plochy půdy změnily jen nepatrně. Podobně v Číně, kde se zvýšila plocha lesa o 33 mil. ha, snížila se plocha orné půdy o 9 mil. ha a rozšířily se trvalé výsadby o 3,5 mil. ha. V Africe se zvýšily plochy zemědělské půdy o 46 mil. ha, z toho orné půdy o 36 mil. ha, trvalé výsadby o 5 mil. ha a louky a pastviny o 9 mil. ha, to vše na úkor lesní půdy. Plocha lesa se snížila o 32 mil. ha. Velmi podobný vývoj probíhal také v Jižní Americe. Zde se plochy zemědělské půdy zvýšily o 32 mil. ha, z toho orné půdy o 25 mil. ha a luk a pastvin o 7 mil. ha. Plocha lesní půdy se snížila o 44 mil ha. 39
Naproti tomu ve vyspělých zemích klesají plochy orné půdy. V USA se snížila o 9%, což činí 15 mil. ha, Rozšířily se zde vodní plochy téměř o 50%, tj. o 21 mil. ha. V Evropské Unii se snížila výměra zemědělské půdy o 12 mil. ha, zvýšila se výměra lesní půdy o 6 mil. ha a stejně tak přibylo ostatní půdy o 6 mil. ha Jsme svědky toho, že ve vyspělých zemích se snižuje plocha obdělávané půdy a půda se zalesňuje, zastavuje a rozšiřují se vodní plochy. Na druhé straně se značně zvyšuje plocha orné půdy a trvalých výsadeb v Africe a Jižní Americe a to na úkor velice cenné lesní půdy v těchto oblastech. Navíc, s přispěním vyspělých zemí, se tu rozšiřují plochy trvalých výsadeb pro energetické účely. Světová zemědělská produkce rostla za posledních 50 let v průměru o 2 – 4 % ročně. Obdělávaná půda se však v tomto období zvyšovala jen o 1% ročně. Graf 4 Vývoj ploch půdy ve světě v období 2000 - 2011v tis. ha
Výměra v 1000 ha
6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000
11 20
10 20
09 20
08 20
07 20
06 20
05 20
04 20
03 20
02 20
01 20
20
00
0
Rok Orná půda
Trvalé porosty
Louky a pastviny
Zdroj: Faostat
Tabulka 2 Přírůstky a úbytky půdy ve vybraných oblastech v období 2000 – 2011 v mil. ha Pramen: Vypočteno z dat Faostatu USA Orná půda Trvalé výsadby Louky a pastviny Lesní půda Vodní plochy
Čína
EU
Indie
Afrika
J. Amerika
-15,2
-7,6
-9,3
-5,4
29,2
25
0
-0,8
3,5
3,1
4,5
0,1
12
-3,7
0
-0,5
9,3
6,7
4
5,7
32,6
3,2
-37,6
-43,5
22
0,3
0
0
1,8
0
Tolik fakta z posledních let. Současný globalizovaný svět se však na půdu nedívá jako na nezbytný omezený zdroj trvalého rozvoje lidstva, který vyžaduje stálou péči a ochranu. Jsou snahy, aby půda byla považována za zboží a podle toho s ní nakládáno. Z půdy se tak stává bezpečná investice, která přináší příjem a je pojistkou proti inflaci. Podle Söröse je zemědělská půda jednou z nejlepších investic naší doby. Podle prof. Hraška jsou na půdě postavené obytné budovy, stáje, průmyslové podniky, obchodní areály, velké sklady, vojenské objekty, sportovní a rekreační objekty, dopravní a liniové stavby, prostory pro těžbu surovin, umělé vodní plochy a různé skládky. Tato půda neprodukuje užitkové rostlinstvo, proto je odůvodněný požadavek, aby se pro tyto účely využívala nejméně úrodná půda. (příkladem může být firma Baťa), Úrodnou produkční půdu je třeba jednoznačně označit za přírodní bohatství nejen jedince, ale i národa, státu i celého lidstva. Proto je nezbytné produkční úrodnou půdu pečlivě obhospodařovat a účinně chránit. Výměra obdělávané půdy se zvýšila za 11 let o 2,6 % a počet obyvatel na Zemi se za stejné období zvýšil o 14,2 %. FAO odhaduje, že výměra obdělávané půdy se nebude zvětšovat, naopak půda je zabírána pro jiné účely než pro výrobu potravin (obytné domy, průmyslové areály, sportoviště, městská zeleň, zábavní parky, těžba uhlí, ropy, plynu, písku, nerostů, silnice, železnice atd.) Graf 5 Orná půda a trvalé výsadby v ha na obyvatele v r. 2009
41
Dostatek potravin pro rostoucí počet obyvatel na světě je za této situace možné zabezpečit zvyšováním produktivity, tj. zvyšováním výnosů plodin a užitkovosti zvířat. Graf 6 Země s nejvyšší plochou orné půdy na obyvatele v roce 2009
Mapový graf 5 ukazuje obrovské rozdíly ve výměře obdělávané půdy, kterou mají jednotlivé země k dispozici. Velmi nízkou plochu obdělávané půdy mají země jižní, východní a jihovýchodní Asie a mnoho zemí v Africe. Největší výměru orné půdy na obyvatele má Austrálie (přes 2 ha), Kazachstán (1,5 ha), Kanada (1,3 ha), dále Nigerie, Rusko, Argentina, jak je uvedeno v grafu 6. Výměra obdělávané půdy na obyvatele postupně klesá. Před padesáti léty připadalo na obyvatele planety 0,44 ha, dnes jen 0,25 ha. Problémem zůstává, že velmi nízkou výměru půdy na obyvatele mají země, které nejvíce potřebují zvýšit zemědělskou produkci. Na druhé straně mnoho zemí s relativně velkou výměrou obdělávané půdy na obyvatele, tuto půdu nedostatečně využívá (např. Rusko, Ukrajina a také Česká republika). Voda Vedle půdy je dalším nezbytným zdrojem pro život člověka voda. Zdroje vody jsou ve světě velmi nerovnoměrně rozděleny.
Graf 7 Celkový odběr vody v m3 na obyvatele za rok v létech 2000-2010
Z uvedeného mapového grafu je vidět, že nejvyšší odběr vody mají USA, Kanada, Argentina, Chile, Egypt, Súdán, Saudská Arábie, Irák, Irán, Afganistan, Pákistán, Středoasijské státy a Austrálie. Velmi nízký odběr vody je zejména v afrických státech. V zemích s vysokými zdroji vody, i přes značný odběr vody pro zemědělství, zůstává dostatek vody pro spotřebu obyvatel. Přes 200 m3 na obyvatele a rok odebírá USA a Kanada, nad 150 m3 odebírá Argentina, Austrálie, Irák, v ostatních vybraných zemích se odebírá 50 – 100 m3. Graf 8 Odběr vody celkem a pro osobní spotřebu ve vybraných státech v m3 na osobu a rok 1800
1400 1200 1000
celkem osobní sp,
800 600 400 200
P
zdroj: FAO, Aquastat
43
R Č
Irá ak n is ta n In di e Č í A na us trá l Fr ie an N cie ěm ec ko
0
U S K A an a A da rg en tn B a ra zi lie C hi le E S gy au p d t A ra b
Kubické metry/osoba/rok
1600
Jinak je tomu v mnohých afrických zemích, jak znázorňuje graf 9. Tyto země mají velmi nízké zdroje vody celkem a z toho ještě vysoký odběr vody pro zemědělství (Ethiopie, Keňa, Mozambik, Kamerun). Pro osobní spotřebu obyvatel tak zůstává jen nepatrné množství vody a to 4-16 m3 na osobu a rok, tj, jen 11- 44 l vody na osobu a den, zatím co v USA je to téměř 600 l a v Evropě téměř 200 l na osobu a den Graf 9 Odběr vody celkem a pro osobní spotřebu ve vybraných státech v m3 na osobu a rok 90
Kubické metry na osobu a rok
80 70 60 50
celkem
40
osobní sp
30 20
16,5 12,6
10 4,9
13,9 10,1
9,7
8,9 4,1
5,7
0 Ethiopie
Keňa
Mozambik
Rw anda
Uganda
Angola
Kamerun
Středoafr R
Čad
Zdroj: FAO, Aquastat
Podle Global Trends 2030 je zemědělství vysoce závislé na dostupnosti vhodných zdrojů vody. Podle mezinárodní studie dosáhnou roční globální požadavky na vodu v roce 2030 6 900 miliard m3, tj. o 40% více než jsou současné zásoby udržitelného hospodaření s vodou. Zemědělství dnes potřebuje 3100 mld. m3, což je 70% celosvětových odběrů vody a bude potřebovat 4500 m3, pokud se nezvýší účinnost spotřebovávané vody. OECD odhaduje, že téměř polovina lidstva bude žít v oblastech se stupňujícím se napětím kvůli vodě. Navíc 40% lidstva žije v mezinárodních povodích nebo v jejich blízkosti; více než 200 těchto pánví sdílejí více než 2 země a to vede k rostoucí závislosti a zranitelnosti při změnách v poptávce a dostupnosti vody, Odhaduje se, že vliv změny klimatu a extrémní povětrnostní jevy způsobí, že se průměrné srážky změní tak, že vlhčí oblasti budou mít více srážek a suché oblasti budou ještě více trpět suchem. Ke značnému poklesu srážek dojde na Blízkém východě, v severní a jižní Africe, na západě střední Asie, v jižní Evropě a na jihozápadě USA. Čína, Indie, Pakistán, Bolivie Ecuador a Peru jsou zásobovány vodou z tajících ledovců, které se oteplováním ovzduší zmenšují. Navíc s růstem životní úrovně v rozvojových zemích se přechází od rostlinné stravy k masu. Potřeba vody k výrobě masa je však podstatně vyšší než k výrobě srovnatelného množství živin v obilovinách a zelenině. Na vyšší spotřebu vody působí také rychlý růst městského
obyvatelstva. Ve městech lidé spotřebovávají podstatně více vody než v oblastech, odkud do měst přesídlili. Problém dostatku vody bude v příštím období velkým a obtížně řešitelným oříškem. Do budoucna čeká lidstvo nutnost podstatného zlepšení hospodaření s vodou. Protože zemědělství spotřebovává 70% vody, hledají se systémy efektivního získávání a využití vody na jedné straně a snahy vyšlechtit plodiny a odrůdy plodin méně náročné na vodu.
4.2.
Faktory, které ovlivňují produkci potravin: genetika a
šlechtění Graf 10 Zdroje růstu rostlinné produkce v létech 1961 – 2009 v %.
Zatím se daří uživit rostoucí počet obyvatel na Zemi. Od roku 1960 se na růstu produkce podílely tyto činitele: - zvýšení výměry půdy z 12%, - rozšíření intenzivnějších plodin z 10%, - zvýšení výnosů plodin z 88 % Protože výměra obdělávané půdy se dlouhodobě příliš nemění, můžeme tvrdit, že o výnosech plodin a objemu výroby potravin rozhoduje úroveň (kvalita) biologických organismů. Pokrok v zemědělství je tak silně závislý na rozvoji biologických věd, zejména genetiky a šlechtění, přidružených věd jako je biochemie, agrochemie a výživa zvířat a dále zdokonalování zemědělské techniky a technologie Biotechnologie zahrnuje celou škálu technologií. Mohou být použity pro různé účely: -
šlechtění odrůd a populací zvířat ke zvýšení výnosů nebo užitkovosti, genetická charakteristika a ochrana genetických zdrojů, diagnózy chorob rostlin a zvířat, vývoj vakcín, zlepšení krmiv. 45
Některé technologie mohou být aplikovány na všechny potraviny a zemědělská odvětví, např. značky molekulární DNA nebo genetické modifikace. Jiné jsou specifické pro dané odvětví, např. tkáňové kultury (u plodin a lesních stromů) a emryotransfér (u dobytka). Biotechnologie slibuje zvýšení produktivity a tím zvýšení příjmů venkova stejně jako to udělala zelená revoluce v Asii v létech 1960 – 1980. Zvýšení produktivity zahrnuje v podstatě všechny faktory zemědělské produkce: -
vyšší výnosy plodin a vyšší užitkovost zvířat, nižší dávky pesticidů a hnojiv, vyšší kvalitu produktů, lepší skladování, jednodušší zpracování, lepší metody pro sledování zdraví rostlin a zvířat.
Rozhodující pro zvyšování výnosů plodin jsou kvalitní odrůdy nebo hybridy polních plodin, zelenin a ovoce. Pozn. Určitě znáte hybridní semena okurek nebo rajčat či některých květin, která dávají vysokou úrodu, ale jejich semena se nedají dále používat. V zemědělské praxi jsou využívané dvou a třílíniové hybridy (např. u kukuřice) Hybridizace představuje křížení dvou jedinců (nebo linií), kteří se liší jednou nebo více dědičnými charakteristikami. (Spojení dvou komplementárních jednotlivých řetězců DNA, nebo RNA a DNA, zpravidla z různých zdrojů, tak aby vznikla dvouřetězová (nebo třířetězová molekula). Obrázek 26 Zdroje růstu rostlinné produkce v létech 1961 – 2009 v %.
Zdroj: Ústav výživy zvířat a pícninářství MZLU Brno
Genové manipulace V současném období se šlechtění nových výnosných odrůd podstatně urychluje využitím genových manipulací. – plodiny GMO. Genové manipulace jsou činnosti, které vedou k vytváření nových kombinací genetického materiálu. Molekuly DNA se vloží mimo buňku do úseku (vektoru) genového řetězce, ve kterém se původně nevyskytují, a pak se tento úsek může přenést do hostitelské buňky. Pramen Gončarov, R. Genetika na prahu 21. storočia. Geneticky modifikované organismy (GMO) Jsou to organismy, které byly modifikovány použitím technologie rekombinace DNA, nebo genetického inženýrství. S rychlým pokrokem v biotechnologii bylo vyvinuto množství geneticky modifikovaných plodin nebo transgenních plodin, které nesou nové vlastnosti. Mnohé z nich byly propuštěny pro komerční zemědělskou výrobu. Patří k nim: -
plodiny odolné proti škůdcům - bavlna, řepka a kukuřice (Bt – Bacillus thuringiensis), sója, odolná vůčí herbicidu glyfosátu, plodiny odolné na virová onemocnění – brambory, bavlna a papája.
Dosud jsou vývojově chráněny transgenní plodiny pro rekultivaci a asanaci zdevastovaných ploch, pro výrobu léčiv jako je rýže s vysokou úrovní karotenoidů pro výrobu karotenu A – tzv. „zlatá rýže“ a banány s vakcínami. Hlavními výrobci a vývozci GM plodin jsou USA, Argentina a Kanada. V rozvojových zemích jsou největšími producenty Argentina, Brazílie, Čína a Indie. Zvětšování ploch GM plodin vyvolalo ve veřejnosti obavy z možných nepříznivých účinků GM plodin na bezpečnost potravin, vliv na životní prostředí a jiné. Jedná se o: -
zdravotní hlediska - možnou toxicitu a alergie GM plodin a potravin z nich vyráběných environmentální rizika – obavy z přenosu transgenů do přírodní krajiny, z vlivu na necílové organismy, z vývoje rezistence škůdců a ze ztráty biodiverzity, sociální a etické obavy se týkají omezení přístupu ke genetickým zdrojům a novým technologiím, ztráty tradice, monopolu soukromého sektoru a ztráty příjmu zemědělců v chudých oblastech.
Zkoumání vlivu GM plodin na zdraví a životní prostředí neustále probíhá, hledají se vědecké důkazy. Doposud neexistuje žádná přesvědčivá informace o negativních dopadech GM plodin na lidské zdraví nebo na životní prostředí. V roce 2003 vstoupila v platnost mezinárodní dohoda (protokol Cartagena) o biologické bezpečnosti k zajištění přiměřené úrovně ochrany 47
při využívání GMO, které by mohly mít nepříznivé účinky na zdraví a životní prostředí. Dohoda byla do r. 2011 ratifikována 161 zeměmi. Některé země – i ČR - mají povinnost označovat GM produkty, odděleně je skladovat apod. V praxi je to úkol téměř neřešitelný. Je obecně známo, že 70% sklízené sóji ve světě je GM sója. Hlavní producenti ji neskladují odděleně od ostatní sóji. Takže se dá tvrdit, že všechny potraviny, které obsahují sóju, obsahují také díl GM sóji. Evropská Unie se staví ke GM plodinám velmi opatrně a velmi přísně posuzují uvolnění GM plodin k pěstování. Je možné tvrdit, že tak brzdí využívání vědeckých poznatků k dosažení vyšší produktivity u pěstovaných plodin. Důvodem je zřejmě nadvýroba zemědělských výrobků v EU. Graf 11 Vývoj ploch GM plodin v rozvinutých a rozvojových zemích v mil. ha (1996 – 2010)
Šlechtění dobytka Vědecké poznatky z biologie, ale také matematiky ve spojení s výpočetní technikou významně zasáhly do šlechtění dobytka. Chov hospodářských zvířat slouží k převážně výrobě potravin. Chovaná zvířata lidé neustále zvelebují - šlechtí. Cílem šlechtění je soustavné zvyšování genetické schopnosti zvířat a zvyšování ekonomické efektivnosti chovu. Cílem šlechtění je genetický zisk a základem šlechtitelských postupů je předpověď genetického zisku a předpověď užitkovosti kříženců. Zásadní význam pro šlechtění má vývoj metod odhadu plemenné hodnoty. Cílem je co nejspolehlivější odhad genetického založení jedince. Všeobecně se dnes používají metody založené na lineárních modelech, především animal model (AM). Na základě zvoleného modelu hodnocení jsou zohledňovány systematické činitele ovlivňující vyhodnocované vlastnosti, s využitím vzájemné příbuznosti zvířat.
Snahou je provádět aktualizaci plemenných hodnot co nejčastěji a přejít na takzvaný automatizovaný odhad plemenných hodnot v momentě, kdy ho uživatel potřebuje. Tato otázka úzce souvisí s vývojem informačních technologií, především využívání internetu. Dalším faktorem, který významně ovlivňuje dosahovaný genetický zisk je rychlost předávání žádoucích genů na příští generace, to znamená zkracování generačního intervalu. Na tomto základě spočívají nové způsoby organizace selekčních programů (MOET, OPU-IVC). Jde tedy o to, rozhodnout o jedincích pro zařazení do plemenitby (s využitím všech zdrojů informací) co nejdříve, využívat je v plemenitbě velmi intenzívně a po co nejkratší dobu. Intenzita selekce je dalším významným faktorem. Do plemenitby by mělo být zařazováno co nejméně jedinců – pouze špička a tuto intenzívně využívat s použitím dostupných metod biotechnologie reprodukce.(Nejlepší je pouze jeden, druhy v pořadí je již pouze druhý a na stupně vítězů se vejdou pouze tři. Ostatní medaile nedostávají.) Zejména v úseku rodiče příští generace plemeníků by se mělo jednat o výběr celostátně pouze několika nejlepších jedinců (několik matek a několik otců ze šlechtěného plemene). V současnosti se u nás používá příliš mnoho plemeníků, každý pouze v poměrně malém rozsahu, což vede k nízké intenzitě selekce. Lidský faktor To vše by nefungovalo bez lidí. Lidé s dostatečnými odbornými znalostmi dovedou využít schopnosti živých organismů a dovedou jim v pravý čas zabezpečit vše potřebné pro jejich růst a vývoj i pro dosažení optimálních výrobních výsledků. Lidí v zemědělství podstatně ubylo. V současné době pracuje v zemědělství ČR jen 141 tis. lidí (včetně lesnictví a rybářství). Často je práce v zemědělství považována za méněcennou práci, za práci, kterou může vykonávat kdokoli. Pozn. Studium na ZTŠ – hnojaři - kino po praxi ve stáji. Ale práce v zemědělství v současné době vyžaduje celou škálu znalostí biologických a chemických věd, vyžaduje znalosti stále náročnější zemědělské techniky i správných výrobních postupů k dosažení vysoké kvality zemědělských výrobků. Na druhé straně je to práce nesmírně zajímavá, práce v přírodě, práce, která se musí přizpůsobovat neustále se měnícím podmínkám. Je to bezesporu náročná tvůrčí práce. Dnešní zemědělské vědění se posunulo z vyspělých zemí – USA a Evropy – do rozvojových zemí jako je Čína, Brazílie apod. Významné postavení si podržuje Izrael.
4.3.
Současné paradoxy
Jak už bylo řečeno, zatím se lidstvo dovede uživit. Ale jsme svědky paradoxů, které se s výživou obyvatel na zemi souvisí. Obyvatelstvo vyspělých zemí má k dispozici a konzumuje přebytek potravin – na druhé straně obyvatelé mnoha rozvojových zemí, zejména v Africe a JV Asii trpí podvýživou. Lze předpokládat, že zvyšování životní úrovně v těchto zemích povede ke zvýšené spotřebě potravin.
49
Nadváha a obezita Určování stupně nadváhy a obezity podle Světové zdravotnické organizace je založeno na Queteletově Indexu tělesné hmoty (Body Mass Index, BMI). Obezita je definována jako nadměrné zmnožení tuku v organismu. Stupeň obezity je určován podle BMI neboli Indexu tělesné hmotnosti. 1. BMI 18,5 - 24.9 hodnoty jsou dobré. 2. BMI 25.0 - 29.9 hodnoty BMI jsou zvýšené - nadváha 3. BMI 30.0 - 34.9 hodnoty jsou vysoké - obezita I. stupně 4. BMI 35.0 - 39.9 hodnoty jsou velmi vysoké - obezita II. stupně 5. BMI > 40 obezita III. stupně Graf 12 Rozšíření nadváhy ve světě
Podle WHO trpí na světě 35% obyvatelstva staršího 20 let nadváhou. V ČR trpí nadváhou 61,7 %, v USA dokonce 69,4 %, ve světě je 12 % obyvatel obézních, v ČR 27,8 %, v USA 31,8%.
Graf 13 Rozšíření obezity ve světě
Podvýživa Na planetě, s dnešním dostatkem potravin pro všechny a to i přes významné snížení extrémní chudoby, je stále 842 milionů podvyživených lidí. Jak je zřejmé z obrázku, počet podvyživených (hladovějících lidí) ve světě ubývá. Velký podíl na úbytku má Čína.
Graf 14 Podvýživa v rozvojových zemích
51
Výživová doporučení Americké ministerstvo zemědělství (USDA) doporučuje Američanům talíře s vhodnou skladbou potravin. Obrázek 27 Výživová doporučení ve formě talíře
zdroj: http://www.choosemyplate.gov/
Také v ČR jsou výživová doporučení sestavována ve formě obrázků, aby se lidé snadno orientovali. Obrázek 28 Příklad české výživové pyramidy
Energetické plodiny Graf 15 Plocha energetických plodin ve světě
V současné době je stále větší část obdělávané půdy a produkce z ní používáno k výrobě energie (Bioplyn, bioetanol, bionafta). Tyto tzv. energetické plodiny vytěsňují výrobu potravin. Mnoho zemí v současné době nevyrábí dostatek potravin a jsou závislé na dovozu potravin. Příklad Britských ostrovů za II. světové války a po ní. Pokud se uspořádání ve světě nezmění, je dovozem zajišťována potravinová bezpečnost dovážejících zemí. Zdroje potravin pro dovoz jsou omezené a očekává se jejich pokles. Současný svět však zdaleka není tak stabilní, jak se na první pohled zdá. Větší konflikt ve světě by podstatně narušil obchod s potravinami. Také změny klimatu a přírodní katastrofy mohou obchod s potravinami narušit.
53
SHRNUTÍ Text kapitoly se věnuje: globálním problémům současné lidské společnosti z hlediska potravinové dostupnosti, poukazuje na nárůst lidské populace v celosvětovém měřítku a s tím spojené důsledky, sleduje faktory, které má lidstvo pro svou obživu k dispozici: půdu a její využívání, vodu a její spotřebu, nové faktory, které ovlivňují produkci potravin: genetika a šlechtění, geneticky modifikované organismy a plodiny, šlechtění dobytka, stěžejní úloha lidského faktoru a jeho erudici v zemědělství, paradoxy současnosti: podvýživa, nadváha a obezita, výživová doporučení a jejich grafická podoba. KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Proč je v ČR téměř 62% lidí s nadváhou a téměř 28% obézních? 2. Je Váš přísun potravin v souladu s českou „výživovou pyramidou? ŘEŠENÍ Pro českou populaci je zapotřebí konzumovat větší množství zeleniny, ryb v souladu s doporučenou výživovou pyramidou. Navíc nám chybí pohyb, což je patrno i u mládeže. Moderní technologie produkce ryb a zeleniny se již do podvědomí lidské veřejnosti dostávají. Realizují se první projekty, tzv. nového zemědělství. Nutno v české populaci změnit názor na zemědělství jako na aktivity s poměrně nízkou vědomostní výbavou. Pro budoucnost je pravý opak nutností. ÚKOLY K PROCVIČENÍ Sledujte, co z nabízeného potravinového sortimentu na trhu kupujeme z dovozu a co je vyrobeno (vypěstováno) u nás. Pokuste se zjistit příčinu tohoto stavu. Je rozhodujícím faktorem při koupi potravin jejich cena?
5. SVĚT A MY CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Prudký nárůst lidské populace v posledních dekádách let nutí člověka k analýze, zda se lidstvo při tomto trendu bude schopno uživit. Proto země nebo seskupení zemí usilují o potravinovou bezpečnost a soběstačnost ve výrobě těch potravin, které mohou v daném prostředí produkovat. Ukazuje se zvyšující spojitost mezi potravinami, vodou a energií v kombinaci s klimatickými změnami, které mohou mít vážné dopady na globální vývoj, v průběhu dalších desetiletí. Poptávka po těchto zdrojích poroste. Potřebné zdroje by mohly pomoci rozšířit nové technologie v zemědělství, založené na využívání vědeckých a technických poznatků.
Znalosti
V ČR se jedná především o zajištění dostatku čerstvé zeleniny po celý rok a o podstatné zvýšení produkce ryb. Zeleninu je možno částečně získat z intenzivních polních kultur sezónní zeleniny, ale dostatek čerstvé zeleniny po celý rok zabezpečí výroba ve sklenících s využitím hydroponie. Chov ryb je možno mírně rozšířit v rybnících, ale k podstatnému zvýšení produkce lze využít chov ryb v umělých nádržích pod střechou – tzv. – akvakultury. Podle posledních poznatků vědy a techniky se spojuje pěstování zeleniny a chov ryb jako akvaponie. U skotu je šlechtění zaměřeno na čtyři základní skupiny vlastností: mléčná užitkovost, masná užitkovost, druhotné funkční vlastnosti a zevnějšek.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA Potravinová soběstačnost, půda, hydroponie, akvakultury, akvaponie, kapková závlaha, šlechtění skotu, plemenné hodnoty, biotechnologie, embryotransfer, geneticky modifikované plodiny, transgenní technologie. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu činní cca 5,5 hodiny.
55
5.1.
Potravinová soběstačnost.
Proto země nebo seskupení zemí usilují o potravinovou bezpečnost a soběstačnost ve výrobě těch potravin, které mohou v daném prostředí vyrábět. Podle WHO je bezpečnost potravin zajištěna, když všichni lidé, za všech okolností, mají přístup k dostatečnému množství bezpečných a výživných potravin pro zdravý život. Soběstačnost v užším pojetí znamená dosažení určité úrovně v krytí spotřeby potravin vlastní zemědělskou výrobou. (Jeníček, V, 1984). Základní bilanční vztah (v hodnotovém nebo fyzickém vyjádření): Q+D=P+V kde: Q – objem výroby, D – objem dovozu, P – objem spotřeby, V – objem vývozu Q Soběstačnost (míra) =
x 100 P
Příklady: Izrael, Japonsko, Britské ostrovy.
Dovoz potravin do ČR Například dovážíme již více než 50 % vepřového masa, více než 30 % drůbežího masa, přes 30 % sýrů a jiných mléčných výrobků, ale také až 70 % některých druhů zeleniny a ovoce mírného pásu, jako jsou jablka, hrušky, švestky, meruňky. Od roku 1989 z naší krajiny zmizelo více než pět tisíc hektarů sadů. K výraznému úbytku pěstitelských ploch došlo u rybízů, meruněk, broskví a s pěstováním angreštu se přestalo úplně. Náš hlavní ovocný druh jabloně, se v uvedeném období ve výměře propadl o 17 %. Večeřová, D., www.agris.cz 19. 5. 2014 Míra soběstačnosti u hlavních potravin ČR je soběstačná v obilovinách, cukru, ve výrobě jablek, v mléce a hovězím mase. Značnou nadvýrobu má v obilovinách a olejninách, které nezhodnocené vyváží, stejně jako nadvýrobu mléka a hovězího masa. Na druhé straně se zvyšuje nesoběstačnost u brambor a zejména čerstvé zeleniny. Zeleniny dodáváme na trh z vlastních zdrojů jen 35% spotřeby.
Graf 16 Míra soběstačnosti u vybraných potravin v ČR v r. 2012
Míra soběstačnosti
140
132 121
124
120
120 103
v procentech
100
92
85
83
77
80
84
54
60 35
40
27
20
ry by
ve jc e
m lé ho ko vě zí m ve as př o ov é m as dr ůb o ež ím sk as op o ov é m as o
uk r če rs tv z é to ho Ze ja le bl ni ka na če rs tv á
C
vo ce O
O
bi lo vi ny Br am bo ry
0
Zdroj: Zpráva o stavu zemědělství ČR za rok 2012 Ústav zemědělské ekonomiky a informací pod gescí Ministerstva zemědělství
Ze živočišných produktů se stále snižuje soběstačnost u vepřového a drůbežího masa. U obou těchto potravin byla ČR v minulosti soběstačná a přebytky se vyvážely. Trvale nesoběstačná je ČR u ryb. Domácí produkce činí jen 27% spotřeby. Spotřeba je nízká jen 5,4 kg na osobu a rok a z domácí produkce je jenom 1,4 kg. Proto bude pozornost zaměřena na možnosti zvýšení výroby zeleniny a ryb s využitím nových vědeckých poznatků.
Využití půdy v ČR Tabulka 3 Využití o.p. v ČR v tis. ha
2005
2008
2009
2010
2011
2012
Index 12/05
Orná půda - celkem
3047
3026
3017
3009
3000
2993
98,23
Osevní plocha celkem
2 657
2 568
2 545
2 495
2 488
2 480
93,34
Obhospodař. orná půda
2 702
2 592
2 573
2 540
2 515
2 513
93,01
z toho nevyužívaná
45
23
29
45
28
32
71,11
Neobhospodařovaná o.p.
390
458
472
514
512
513
131,54
zdroj: Český úřad zeměměřičský a katastrální, ČSÚ
57
Graf 17 Využití orné půdy v ČR
Využití orné půdy v ČR v tis. ha 3 500 3 000
390 45
458 23
472 29
514
512
513
45
28
32
2 702
2 592
2 573
2 540
2 515
2 513
2005
2008
2009
2010
2011
2012
tis. ha
2 500 2 000 1 500 1 000 500 0
rok Obhospodař. orná půda
z toho nevyužívaná
Nobhospodařovaná o.p.
Zdroj: Český úřad zeměměřičský a katastrální, ČSÚ
Podle Zeměměřičského a katastrálního úřadu má ČR k dispozici okolo 3 mil. ha orné půdy. Podle ČSÚ je však využívaných jen 2,5 milionu ha. To znamená, že se nevyužívá půl milionu hektarů orné půdy. V současné situaci, kdy téměř miliarda lidí na Zemi trpí podvýživou a hladem je takové plýtvání s půdou značným hazardem. Půl milionu hektarů orné půdy představuje významný zdroj výroby pro zvýšení vlastní soběstačnosti či pro výrobu na vývoz nebo k pěstování plodin k výrobě energie. Od roku 2005 se významně změnily plochy pěstovaných plodin na obdělávané orné půdě. Výměra obilovin se snížila o 9%, výměra luskovin téměř o 50%, okopanin o 17%, Zeleniny konzumní o 6,5%, květin a okrasných rostlin o 40 % a ploch na semeno o 91%. Vzrostla plocha technických plodin o 15%. Snižuje se výměra tzv. intenzivních plodin (okopaniny, zelenina, květiny a semenářské plochy) na úkor růstu ploch olejnin, zejména řepky, jejíž plocha vzrostla o 50%. Většina produkce řepky se využívá k výrobě biopaliv a na vývoz.
Struktura osevních ploch Tabulka 4 Vývoj osevních ploch hlavních skupin polních plodin
2005 Obiloviny celkem
2008
2009
2010
2011
2012
1 593 487 1 552 717 1 528 020 1 459 505 1 468 129 1 444 668
Index 12/05 90,66
Luskoviny celkem
39 260
22 306
29 003
31 318
22 316
20 177
51,39
Okopaniny celkem
102 925
81 167
82 206
84 492
85 362
85 749
83,31
Technické plodiny celkem
415 490
490 146
494 156
499 792
474 609
479 712
115,46
Pícniny na orné půdě celkem
491 881
406 161
396 713
406 450
423 050
436 482
88,74
Zelenina konzumní celkem
8 917
9 732
8 838
8 583
9 591
8 340
93,53
Květiny a okrasné rostliny
1 080
1 391
1 108
1 280
612
653
60,46
Plochy na semeno celkem
1 515
990
483
266
196
137
9,05
zdroj: CSU
5.1.1.
Spotřeba potravin
Ve vyspělých zemích jsou potraviny relativně snadno dostupné a lidé spotřebovávají více potravin, než stanovili odborníci ve výživových doporučeních. V ČR je vysoká spotřeba celkem, zejména vepřového masa, dále vajec, tuhého tuku rostlinného i živočišného, cukru a potravin z obilovin. Nízká spotřeba je masa hovězího, skopového a zejména ryb, dále čerstvého mléka, sýrů, rostlinných olejů a luštěnin. Zvýšit je potřebné spotřebu čerstvé zeleniny a ovoce mírného pásma. „Na neuspokojivém zdravotním stavu obyvatel v ČR se významně podílí nevhodná skladba výživy (nadměrný energetický přívod, převaha živočišných tuků, jednoduchých cukrů, soli, stále ještě nedostatečná konzumace vlákniny, zeleniny a ovoce). Současný stav výživy populace v ČR není, přes některá zlepšení, uspokojivý. Zatímco doporučené dávky potravin jsou v ČR prakticky dodrženy u obilovin, spotřeba zeleniny je pouze asi na 60 % doporučení, spotřeba ovoce asi na 65 % doporučení a mléka asi na 60 % doporučení. Spotřeba masa celkem je asi o 20 % vyšší, než je doporučení.“ (Zdraví 21, cíl 11.) 59
5.2.
Nové technologie, nové možnosti
Globální trendy 2030: Alternativní svět, publikace Národní zpravodajské rady (NIC) USA uvádí, že zvýšená spojitost mezi potravinami, vodou a energií - v kombinaci s klimatickými změnami, budou mít dalekosáhlé dopady na globální vývoj v průběhu další 15-20 roků. Poptávka po těchto zdrojích poroste v podstatě v důsledku zvýšení světové populace ze 7,1 miliardy dnes na 8.3miliard v roce 2030. Rozšiřující se střední třída a nárůst městské populace bude zvyšovat tlak na kritické zdroje, zejména potraviny a vodu. Potřebné zdroje by mohly pomoci rozšířit nové technologie - jako například "vertikální" zemědělství ve výškových stavbách, které také sníží náklady na dopravu. Zabezpečení potravin a vody je zhoršováno měnícími se povětrnostními podmínkami. Jak vyplývá ze současné situace ve světě, v Evropě a v ČR je nezbytné, vedle plného využívání půdy k produkci potravin, rozvíjet nové zemědělství, které umožní získat chybějící potraviny s minimálními požadavky na půdu a vodu a které je založeno na využívání vědeckých a technických poznatků. V ČR se jedná především o výrobu dostatku čerstvé zeleniny po celý rok a podstatné zvýšení produkce ryb. Zeleninu je možné částečně získat z intenzivních polních kultur sezónní zeleniny, ale dostatek čerstvé zeleniny po celý rok zabezpečí výroba ve sklenících, s využitím hydroponie. Chov ryb je možné mírně rozšířit v rybnících, ale k podstatnému zvýšení produkce se využívá chov ryb v umělých nádržích pod střechou – tzv. akvakultury. Podle posledních poznatků vědy a techniky se spojuje pěstování zeleniny a chov ryb jako akvaponie. Hydroponie Hydroponie představuje pěstování rostlin bez půdy v živném roztoku. Nejvhodnějším substrátem je v tomto případě keramzit - expandovaný jíl. Zelenina - rajčata, okurky apod. ve sklenících se pěstují hydroponicky také v minerální plsti nebo v polštářích na "tenké vrstvě" roztoku. V těchto systémech voda cirkuluje, mimo záhony se zpět vrácený roztok filtruje, doplní se živiny, upraví hladina Ph a teplota. Podle systému a účelu pěstování se přidávají hnojiva. Příklad: Firma 4 Fruit Zlatná na Ostrove, Slovensko
5 ha moderních skleníků. Pěstují hydroponicky rajčata. Vysoká produkce na 1 m2: 55 kg rajčat za rok Třídění, balení a přímé dodávky do obchodní sítě
Co museli vyřešit podle nových poznatků?
Konstrukce skleníků – 6m vysoké skleníky, rostliny rajčat až 13 m, vozíky na manipulaci, atd. Biologický materiál – speciální odrůdy a jejich požadavky Pěstitelský systém, výživa a ochrana – pěstování ve vacích
Energii – levná geotermální energie + možnost přitápění Elektronické řízení pěstitelského systému: teplota, závlaha, výživa atd Logistiku – třídění, balení, paletování, skladování, přeprava do obchodní sítě Spolupráci s externími pěstiteli Vysvětlení celého systému – viz Pěstitelský systému Obrázek 29 Postupně dozrávající rajčata v moderním skleníku 4 Fruit
Zdroj: www stránky firmy 4 Fruit
Akvakultury Představují chov ryb nebo jiných vodních živočichů v uzavřeném prostředí. Akvakultury dělíme na
mořské (mariculture) vnitrozemské (inland aquaculture)
61
Tabulka 5 Světová produkce z akvakultur: ryby, korýši, měkkýši a jiné druhy v tisících tun.
zdroj: FAO Fisheries and Aquaculture Department, March 2014
V akvakulturách bylo na světě vyprodukováno 67 milionů tun ryb a dalších mořských plodů. Víc než 60 % produkce bylo dosaženo ve vnitrozemských akvakulturách. Graf 18 Výlov ryb a produkce akvakultur
Zdroj: FAO Fisheries and Aquaculture Department, March 2014
Světový výlov ryb se ustálil na 80 milionech tun a předpokládá se spíše pokles výlovu ryb do budoucna. Spotřebu ryb a dalších vodních živočichů ve stále větší zabezpečuje produkce akvakultur. U nás se jedná o vnitrozemské akvakultury. Jedná se o produkci (většinou ryb) v uzavřeném vodním okruhu s optimálními chovnými podmínkami (voda, krmení, teplota).
Obrázek 30 Akvakultury v Bohajském zálivu v Číně
Číňané se již dlouhé období věnují chovu ryb, korýšů a měkkýšů ve velkých umělých nádržích na pobřeží Žlutého moře. Rozsáhlé plochy akvaponie jsou v Bohajském zálivu, jak jsou zachyceny na snímku NASA z vesmíru. Obrázek 31 Schéma akvakulturní výroby ryb
Zdroj: (podle firmy Stähkermatic)
Zahrnují:
Intenzivní chov ryb - tržní ryba. Intenzivní chov ryb – násada. Čistírnu vody pro chov ryb. Regulaci teploty. Krmný automat. 63
Obrázek 32 Příklad druhů ryb pro akvakultury
Akvaponie Akvaponie je kultura rostlin a živočichů v recirkulovaném vodním prostředí. Jedná se o synergie mezi rybami a rostlinami. Termín má svůj původ ve dvou slovech: akvakultura chov ryb v uzavřeném prostředí a hydroponie - pěstování rostlin ve vodním výživném roztoku. Akvaponické systémy mohou být v různých velikostech: malé jednotky v interiéru i velké plochy pro podnikání. Mohou to být systémy sladkovodní nebo systémy obsahující sůl nebo brakickou vodu (mírně slaná směs mořské a slané vody.) Proč se rozvíjí akvaponie? Akvaponie je systém produkce potravin recirkulací s použitím méně než 10% vody obvykle požadované pro chov ryb a pěstování rostlin.
Akvaponie je vynikající způsob, jak produkovat bílkovinami bohaté potraviny, jako jsou například ryby a současně zeleninu, a to jak v nejchudších regionech (podpora bezpečnosti a soběstačnosti v potravinách), tak v oblastech, kde je silná poptávka po kvalitních výrobcích. Např. biopotraviny za vysoké ceny mohou být vyráběny pro města. Akvaponické systémy šetří vodou a rostliny rostou v těchto systémech rychleji, jsou větší a mají vyšší výnos (15 %). Hydroponický systém představuje proudovou výrobu zeleniny. Někteří dokonce říkají, že tyto výrobky chutnají lépe! Proudovou výrobu charakterizuje Spock takto:
vyrábí se jeden příp. několik výrobků, které jsou si typově příbuzné, jednotlivé pracoviště na sebe navazují, mezi nimi je výrobek neustále přepravován, činnosti se zde opakují pravidelně a po dlouhou dobu, zásoba surovin, materiálu na začátku, sklad hotových výrobků na konci, možnost změny výrobního programu je nesnadná a velmi nákladná, je nutné zde počítat s nějakou rezervou, potřebná kvalifikace pracovníků - nutnost zaškolení.
Pramen: objednavkou
http://spock.blog.cz/0905/7-logisticky-retezec-a-typologie-vyroby-vliv-umisteni-bodu-rozpojeni-
Rostliny nepotřebují doplňování vody, protože neustále používají recyklovanou vodu. Tyto systémy mohou být instalována prakticky kdekoliv i v blízkosti trhů. Z obchodního hlediska to má tu výhodu, že se snižují distribuční náklady a snižuje se uhlíkovou stopa společnosti. Požadavky na vstupy jsou nízké, jakmile je systém nastaven, stačí snadná údržba systému, ryby, krmivo pro ryby, semena (nebo sazenice) a přívod vody k zařízení. Rostliny mají výživu z rybího odpadu. Graf 19 Produkce v kg/m2 akvaponie a hydroponie rajčat a okurek
65
Obrázek 33 Výrobní systém akvaponie
Zdroj: Publikace SmartFish
Akvaponie je kombinace akvakultury a hydroponie jednom výrobním systému. Tato metoda je založena na tom, že se rybí odpad používá jako živný roztok pro pěstování ekologické zeleniny. V takovém systému voda vytéká z akvária do biologického filtru, kde bakterie rozloží rybí odpad do živného roztoku pro pěstování bio zeleniny. Rostliny pak absorbují živiny z vody. Bakterie hrají v tomto procesu zásadní roli. Bakterie převádějí amoniak, který je hlavní složkou odpadu z ryb, na dusičnany (na formu dostupného dusíku pro rostlin ). Tak chrání vodu, aby se nestala toxickou pro ryby (transformace amoniaku na dusičnany je známá jako proces nitrifikace). Je nezbytné, aby každá jednotka měla akvaponickou biologickou filtraci a bakterie, což umožňuje trvale převést čpavek na dusičnany. Akvaponické jednotky mohou být různých tvarů a velikostí. Větší systémy se stříbrným okounem nebo tilapií a rajčaty, cuketami, salátem, atd.
Obrázek 34 Systém pěstován v hluboké vodě
Složitější jednotky produkují tuny ryb a tisíce rostlin měsíčně. Takové jsou ideální pro výrobu v komerčním měřítku Systémy akvaponie Existují tři hlavní typy akvaponických systémů: 1. Systémy pěstování v hluboké vodě (systémy CEP ) - sazenice rostlin se vloží do otvoru v polystyrenu, kořeny rostou ve vodě plavou v kanálech s přiváděným vzduchem ze dna pánve (přibližně na každý metr čtvereční). Tato metoda je nejčastěji používána ve velkých obchodních akvaponických farmách, které se zabývají specifickými druhy zeleniny (hlávkový salát, listy salátu nebo bazalka). Obrázek 35 Rostlina se substrátem
67
2. Systémy pěstování na polštářích se substrátem (závlaha a odvodnění) – jako hydroponie. Jednotky kultur polštářů se substrátem jsou nejoblíbenějším typem pro drobnou akvaponii, protože jsou efektivní z hlediska prostoru, mají relativně nízké náklady, jsou vhodné pro začátečníky, protože jejich design je velmi jednoduchý. V kultuře polštářových jednotek, substrát jednak drží kořeny rostlin, jednak působí jako filtrační prostředek. Tato dvojí funkce je hlavním důvodem, proč kultura polštářových jednotek je nejjednodušší. 3. Technika filmu živin Obrázek 36 Technika filmu živin
Zdroj: SmartFish
Technika filmu živin vyžaduje použití plastových trubek uspořádaných horizontálně pro pěstování zeleniny. Voda je čerpána do každé hydroponické trubky z biofiltru jako malý konstantní tok, který vytvoří proud mělké vody, bohatý na akvaponické živiny a potom odtéká na dně vany. Trubka má nahoře propíchnuté otvory, v nichž jsou umístěny rostoucí rostliny. Akvaponie je vhodná pro mnoho druhů ryb, například tilapie, kapr, okouni, candát, losos, pstruh a další a široký sortiment rostlin, jako jsou rajčata, okurky, hlávkový salát a listová zelenina, drahé byliny, atd. Tilapie je nejvíce běžně používaná ryba pro její rychlý růst ve srovnání s ostatními chovnými rybami (např. losos, pstruh) a může tolerovat špatnou kvalitu vody. Voda Vedle půdy je druhým kritickým omezeným zdrojem pro výrobu potravin voda. Zemědělství je největším spotřebitelem vody ve světě. V budoucnu hrozí nebezpečí válek kvůli vodě. Vědecké poznatky přispěly k řešení závlahy některých plodin pomocí tzv. kapkové závlahy. Kapková závlaha Kapkové zavlažování je založeno na úsporném dávkování vody cíleně pro každou rostlinu. Rostlina dostane jen tolik kapek vody, kolik pro svůj růst potřebuje. Tím se ušetří až dvě třetiny vody potřebné při tradiční zálivce. Vypařování a ztráty vody se tím snižují na minimum.
Stát Izrael vyniká vyspělými technologiemi prakticky ve všech výrobních oblastech. Jedná se především o oblast softwaru, komunikací, přírodních věd, elektroniky, farmacie a zbrojního průmyslu. V neposlední řadě má Izrael vysoce rozvinuté zemědělství a patří ke světové špičce v oboru hospodaření s vodou. Objev kapkové závlahy Často za většími či menšími vynálezy stojí náhoda. Nejinak tomu je i v případě kapkové závlahy, kterou objevil Simcha Blass. Ten si všiml, že na jeho zahradě jeden strom (pomerančovník) výrazně převyšuje ostatní. Pídil se po důvodu a zjistil, že vodovodní potrubí, které vede přesně pod stromem je děravé – zkrátka, že kape a tím pádem strom má neustálý, i když malý, přísun vody a vynález, který znamenal revoluci v zavlažování, byl na světě. Poté hledal firmu, která by vynález uvedla do praxe a zavedla jeho výrobu, ve spolupráci s kibutcem Hatzerim. Obrázek 37 Vinice na pokraji pouště Negev – kapková závlaha
Zdroj:: http://zahradaweb.cz/izrael-zeme-kapkove-zavlahy/
foto Miroslav Šerák
„Mozkem“ kapkové závlahy je kapkovač, který rostlinu zavlažuje. Hlavním úkolem kapkovače je zredukovat tlak, tak aby voda jen kapala. Úplnou novinkou z roku 2005 je nízkotlaký zavlažovací systém (LPS), který umožňuje zavlažování rovných pozemků bez použití čerpadel s kapkovači s velmi nízkým průtokem (0,6 l/hod.), které jsou současný trendem v závlaze. Rostliny tak sice musí být zavlažovány po celý den, ale podle výsledků je celkově menší spotřeba vody i hnojiv a vyšší výnos (například u hrušní o 15 %). Příklad: Závlaha brambor, závlaha vysazených keřů a stromů mezi Jeruzalémem a Tel Avivem
69
Obrázek 38 Detail kapkové závlahy
Zdroj:: http://zahradaweb.cz/izrael-zeme-kapkove-zavlahy/
5.3.
Pokrok ve šlechtění skotu
U skotu je šlechtění zaměřeno na čtyři základní skupiny vlastností – mléčná užitkovost, masná užitkovost, druhotné - funkční vlastnosti a zevnějšek. Jednotlivé vlastnosti v prvých třech skupinách mají současně ekonomické ohodnocení. Co se týká zevnějšku, jde především o vztah zevnějšku k ukazatelům zdraví o dlouhověkosti. Šlechtění skotu bylo v posledních desetiletích významně ovlivněno vývojem v USA. U dojného skotu byly hlavním selekčním hlediskem tržby (za mléko), předpokládalo se, že zisk je úměrný tržbám. Výsledkem bylo významné zvýšení užitkovosti, ale současně i významná změna ostatních vlastnosti a to jak zevnějšku, tak i ostatních užitkových vlastností v kladném i záporném směru. Obrázek 39 Krávy holštýnského plemene na přehlídce v Kroměříži a v Brně 2014
zdroj: Svaz chovatelů holštýnského skotu. http://www.holstein.cz/index.php/menu-ruzne-fotogalerie/vystavy-prehlidky-2014
Jedná se především o výrazný nárůst rámce zvířat u všech dojných plemen. U dojných plemen se většinou používá čistokrevná plemenitba. U masného skotu je pravidlem užitkové křížení, které přináší až 30% zvýšení ekonomické efektivnosti. U skotu prakticky neexistuje uzavřená populace, všechny populace jsou otevřené přílivu genů. U základních plemen je prováděna mezinárodní testace plemeníků, jsou stanovovány celosvětové plemenné hodnoty a přepočtové koeficienty pro převod plemenných hodnot mezi zeměmi (Interbull). Tato skutečnost vede k objektivnějšímu hodnocení zvířat a umožňuje vyšší intenzity selekce z celosvětové výběrové základny. Šlechtění skotu je ovlivněno rozvojem biotechnologických metod reprodukce. Jde o namnožení vynikajících jedinců (inseminace, embryotransfér) a v případě plemenic též o významné zkrácení generačního intervalu, které vede v konečném výsledku k vyššímu genetickému zisku. Používá se nejen dnes již tradiční embryotransfér, ale i odběr vajíček mladých jalovic. U býků vede rozvoj ke zvyšování množství použitelných inseminačních dávek, které umožňuje rozsáhlejší využití špičkových jedinců a tím i vyšší intenzity selekce. Dnes je prakticky „povinné“ použití embryotransféru u matek býků, čímž lze značně snížit jejich počet a tím významně zvýšit intenzitu selekce. Výsledkem úspěšného šlechtění je neustálé zvyšování užitkovosti chovaného dobytka. V ČR, v důsledku dohodnutých kvót na produkci mléka, klesají stavy dojnic. Jak znázorňuje graf 19, od roku 2004 se stavy dojnic snížily o 54 000 kusů a jsou na nejnižší úrovni – v roce 2012 se chovalo jen 369 000 dojnic. Za stejné období se ale zvýšila dojivost na krávu a rok o 1421 litrů a dosáhla v roce 2012 v průměru za ČR 7 433 litrů mléka na dojnici za rok. Obrázek 40 Příklad mladého českého plemeníka a jeho dcery.
Zdroj: Černostrakaté novinky 1/2014
Chovatelům je jistě dobře známým býkem plemeník jménem JEEP z kombinace Murphy x Champion x Addison. Tento býk je potomkem produkční rodiny, pocházející z jednoho z 71
nejlepších českých holštýnských chovů - podniku AGRAS Bohdalov, a.s. Jeho bába č. 126244-614 G+83 nadojila na 2. laktaci 14.235kg mléka při tučnosti 3,8 % (539 kg) a obsahu bílkovin 3,0 %. Býk zahájil svoji kariéru na ISB Grygov a má v ČR již 18.078 inseminací. Graf 20 Stavy dojnic a průměrná užitkovost dojnic v létech 2004 – 2012 za ČR.
zdroj: Situační a výhledové zprávy. Mléko. MZe ČR, 2014
Geneticky modifikované plodiny Podle Global Trends 2030 je pravděpodobné, že se v průběhu příštích 15 – 20 let urychlí rozvoj znalostí o genetice rostlinných buněk s pomocí nástrojů molekulární biologie. Jejich využití v praxi povede ke zvýšení výnosů hlavních plodin k výrobě potravin. Výzkumníci již mají pomocí transgenní technologie zjištěné stovky genů s odpovídajícími užitečnými vlastnosti zemědělských plodin, které by mohly být využívány v zemědělské výrobě. Do výrobní praxe se však dostaly jen tři druhy rostlin rezistentní vůči hmyzu a herbicidům. Jsou to: sója, bavlna a kukuřice. Dále se zavádějí modifikované brambory a očekává se, že v příštích 5 letech se bude pěstovat také modifikovaná řepka a rýže. Vědci vyvíjejí fixaci dusíku na kořenech u nebobovitých plodin (např. obilovin) a suchu odolnou kukuřici s využitím dnešního know – how technologie GM plodin. Global Trends 2030 dále uvádí: „Transgenní technologie přenosu genů s jednoho druhu rostlin na druhý, které umožňují produkovat rostliny s novými nebo vylepšenými vlastnostmi, budou využitelné pro dosažení potravinové bezpečnosti v příštích 10 – 15 létech.“. Podle Global Trends 2030 jsou geneticky modifikované plodiny klíčové pro splnění úkolu poskytovat dostatek cenově dostupných potravin a plodin k výrobě energie rostoucí lidské populaci na světě za měnících se klimatických podmínek.
5.4.
Závěry
Pokud se chce lidstvo uživit, musí zvyšovat produkci potravin v zemědělství všemi cestami, tradičními i novými cestami. Vědecké poznatky, které je možné uplatnit v zemědělství, rostou obrovským tempem. Je to oblast, kde se uplatňuje celá škála vědních oborů od biologických, přes agrochemii, biochemii až po technické obory a moderní elektroniku. Úspěšné zemědělství v současnosti je založeno na využívání vědeckých poznatků k dosažení vysokých výnosů plodin a vysoké užitkovosti zvířat k výrobě kvalitních potravin s relativně nízkou spotřebou omezených zdrojů, jako je např. voda. Zdrojem nových poznatků je zemědělský výzkum, zejména základní výzkum, hrazený z veřejných zdrojů. Veřejnému zemědělskému výzkumu u nás, ale i v EU a USA však není věnována odpovídající pozornost. Jak uvádí Catherine Woteki z amerického ministerstva zemědělství (USDA) „Skupina pro mezinárodní zemědělský výzkum (CGIAR) pomohla rozvojovým zemím zlepšit základní potravinářské plodiny, jako pšenici, rýži, čirok a maniok, jakož i drobné, ale nutričně významné plodiny, jako podněty pro jejich vlastní výzkum. Téměř všechny tyto práce byly prováděny ve veřejném sektoru a ve spolupráci mezi mezinárodními a národními programy pro zemědělský výzkum. Zatímco mnoho rozvojových zemí stupňuje svou podpora zemědělského výzkumu, rozvinuté země jsou na ústupu. Spojené státy, Japonsko, Austrálie, Kanada a evropské země snižují v posledních letech podporu mezinárodnímu zemědělskému výzkumu. Někteří ekonomové přisuzují pokles tempa růstu výnosů u hlavních plodin, jako jsou rýže a pšenice tomuto nedostatečnému investování do výzkumu. Naproti tomu řada rozvojových zemí - nejvíce pozoruhodně Brazílie a Čína, rozšiřuje několik posledních desetiletí své zemědělské výzkumné a vývojové kapacity. Čína má nyní největší počet zemědělských vědců, více než 50 000. Brazílie zvýšila své veřejné investice do zemědělského výzkumu a vývoje na více než na 1 miliardu dolarů ročně. Čína a Brazílie nyní dosahují nejvyšší míry růstu zemědělské produktivity na světě. Tento růst produktivity umožnil Číně, aby i nadále byla do značné míry soběstačná v potravinách i přes omezenou plochu půdy a rychle zlepšila výživu obyvatel. Brazílie se změnila z dovozce potravin na druhého největšího vývozce potravin (po Spojených státech). Tyto úspěchy nejsou omezeny na Čínu a Brazílii, nicméně Studie jasně prokázaly souvislost mezi zeměmi, které investovaly do kapacity zemědělských vědy a technologií a těmi, které byly nejúspěšnější v získávání jejich produktivity. Nejchudší země a většina zemí v potravinové nejistotě dnešního světa, jako jsou země v subsaharské Africe, mají i nejméně rozvinuté vědecké kapacity v zemědělství. Máme-li odpovědět na otázku, zdali se přes předpokládaný nárůst populace na Zemi, uživíme, můžeme odpovědět, že v nejbližších 10 – 15 létech pravděpodobně ano. Předpokladem je účinné využívání půdy, vody a zejména vědeckých poznatků, odstranění současných paradoxů jako je na jedné straně nadváha a obezita a na druhé straně podvýživa a využívání půdy v rozvojových zemích s nedostatkem potravin k pěstování energetických plodin apod. 73
Odstraněny by měly být také umělé překážky možného využití vědeckých poznatků, zejména v oblasti genetiky – jako jsou např. opatření EU k uvádění GM plodin do pěstování. Věříme, že také v ČR se situace změní a jak zemědělství samotné, tak zemědělské vědy se dostanou do postavení, které odpovídá oblasti lidské činnosti, která zabezpečuje jednu ze základních a nezbytných potřeb lidí - kvalitní výživu a stará se o životní prostředí a fungování venkovského prostoru. Nové způsoby produkce potravin budou potřebovat mnoho odborníků, nabídnou zajímavou práci s živými tvory, ať rostlinami, nebo zvířaty v neustále se měnících přírodních podmínkách.
SHRNUTÍ Text kapitoly obsahuje následující tématiku: -
potravinová soběstačnost a její míra u hlavních potravin (ČR), využití půdy v ČR, spotřeba potravin v ČR, nové technologie, nové možnosti: hydroponie, akvakultury, akvaponie, kapková závlaha, kauzalita a praktické příklady, pokroky ve šlechtění skotu, geneticky modifikované plodiny.
KONTROLNÍ OTÁZKA 1. U kterých hlavních potravin je ČR soběstačná? 2. Jaké je využití orné půdy v ČR? 3. Podle čeho poznáte, že je potravina nabízena na trhu kvalitní? ŘEŠENÍ V decizní sféře ČR je nutno najít vhodné stimuly pro zavedení nových technologií v oblasti jak rostlinné, tak i živočišné výroby. Zemědělství budoucnosti vyžaduje mladé lidi odborně vzdělané. Nutno i v tomto směru zavést ve společnosti relevantní osvětu, včetně mediální.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ Vypište, které druhy ryb jsou na trhu v ČR. Které druhy čerstvé zeleniny a ovoce nabízejí čeští pěstitelé po celý rok? Které krajové potravinové speciality znáte? Zaznamenejte, jaká je skladba Vaší výživové pyramidy a které její komponenty jsou tuzemské a které jsou z dovozu. Rozpoznáte, že „jíte zdravě“
75
6. NANOTECHNOLOGIE
A
NANOVĚDA
NA
PRAHU
21.
STOLETÍ CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování Nanotechnologie představují využití vědeckého poznání k syntéze, manipulaci a použití materiálů v rozmezí 1-100 nm, kde se mohou objevovat nové vlastnosti vzhledem k tomuto malému rozměru. Jedná se o moderní technologie, které jsou celosvětově rozšířeny a nachází uplatnění téměř ve všech oborech lidské činnosti. Jsou považovány za přelomové a revoluční jako nástup páry v 19. století, elektřiny v první polovině 20. století a informačních technologií koncem 20. století.
Znalosti
Očekává se, že během následujících 15 let budou mít nanotechnologie rozhodující dopady na celosvětovou ekonomiku, přinášející sociální a etické problémy. Lze říci, že nanotechnologie budou formovat novou společnost 21. století. I když dnes rozumíme celé řadě vlastností nanostrukturovaných materiálů směřujíce cíleně k jejich využití, nedokážeme ani z malé části to co dokáže příroda. Ta dokáže vytvářet nanometrové funkční systémy, a to jak v živé, tak i v neživé oblasti. Mnohé námi konstruované systémy a funkční celky jen dokonale kopírují přírodu.
Dovednosti
KLÍČOVÁ SLOVA nanotechnologie, nanověda, nanomateriály, nanostruktury, kvantově omezené struktury, nanoskopie, mikroskopie skenující sondou, kvantová fyzika, biomineralizace, uhlíkové nanostruktury, fullereny, grafen, nanotextilie, nanobudoucnost ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu činí cca 6 hodiny.
Již více než dvacet let nás média, především internet, kontaktují s odbornými výrazy jako nanotechologie, nanočástice a nanostruktury, které si tak nekompromisně razí cestu ze světa vědců a jejich laboratoří mezi širokou veřejnost a staly se součástí obecného povědomí. Nanotechnologie a nanomateriály přinášejí nové, převratné možnosti v mnoha oborech lidské činnosti. Očekává se, že tyto technologie a materiály přinesou revoluci v medicíně, kde díky své velikosti vykazují nanomateriály schopnost vstupovat do jednotlivých buněk, a tak působit například jako nosiče léčiv. Elektronický průmysl jako základ rozvoje informačních technologií se bez nanotechnologií neobejde. Nanotechnologie začaly být využívány v mnoha spotřebitelských produktech ke zlepšení povrchových vlastností, jako je např. otěruvzdornost, trvanlivost, optické vlastnosti. Tyto materiály slibují velký potenciál v potravinářství, zejména v obalových materiálech. V posledních letech přešla příprava nanomateriálů z laboratoří do průmyslové výroby. Nanotechnologie jsou využití vědeckého poznání k syntéze, manipulaci a použití materiálů v rozmezí 1-100 nm (1 nm = 10-9 m = 0,000000001 m), kde se mohou objevovat nové vlastnosti a fenomény vzhledem k tomuto malému rozměru. Jedná se o moderní technologie, které jsou celosvětově rozšířeny a nachází uplatnění téměř ve všech oborech lidské činnosti. Jsou považovány za přelomové a revoluční jako nástup páry v 19. století, elektřiny v první polovině 20. století a informačních technologií koncem 20. století (obr. 41). Očekává se, že během následujících 15 let budou mít nanotechnologie rozhodující dopady na celosvětovou ekonomiku, přinášející sociální a etické problémy. Můžeme říci, že nanotechnologie budou formovat novou společnost 21. století. Jsem si jist, že po přečtení dvou výše uvedených odstavců, zavládl ve vašich myslích jistý zmatek a objevila se celá řada otázek. Nových neznámých pojmů a slov je mnoho. Pojďme si v následujícím textu říci a vysvětlit co to záhadné slovo NANO znamená, co nám přineslo, co nám dává a čím nás může v budoucnu překvapit.
77
Obrázek 41 Oblasti vývoje společnosti v rámci průmyslové a informační revoluce.
6.1.
Co to je NANO?
Slovo NANO, pochází z řeckého slova νανος, což znamená trpaslík a dnes je používáme pro vyjádření jedné miliardtiny. V našem případě je budeme používat pro vyjádření jedné miliardtiny jednoho metru. Běžně a každodenně používáte pro vyjádření jedné setiny metru jednotku centimetr (1 cm = 0,01 m = 10-2 m), jedné tisíciny metru jednotku milimetr (1 mm = 0,001 m = 10-3 m). Stejně běžně vědci a technici pro vyjádření jedné milióntiny metru užívají jednotku mikrometr (1 μm = 0,000001 m = 10-6 m) a pro vyjádření jedné miliardtiny metru jednotku nanometr (1 nm = 0,000000001 m = 10-9 m). Pro ještě menší rozměry používají jednotku pikometr, jedna bilióntina metru (1 pm = 0,000000000001 m = 10-12 m), jednotku femtometr, jedna biliardtina metru (1 fm = 0,000000000000001 m = 10-15 m). Všechna ta slova, jako nanotechnologie, nanočástice, nanostruktura, nanoobjekt, nanosvět, nanomateriál, nějakým způsobem souvisí s objekty o rozměrech jednotek a desítek nanometrů. Budeme vytvářet, zkoumat, manipulovat, využívat objekty s rozměry přibližně v intervalu od 1 nm do 100 nm. Otázkou je, jak si takto malý objekt představit a jak jej uvidět. Pro zobrazení malých objektů potřebujeme nějakou „lupu“ prostřednictvím které objekt zvětšíme. Zvětšovací sklo, optická lupa, zvětšuje 5 – 12 krát a umožňuje nám uvidět objekty o rozměru desítek mikrometrů. K zobrazení menších objektů potřebuje zařízení s větším zvětšením, které nazýváme mikroskopem. Mikroskopů existuje celá řada. Nejznámějšími jsou optické mikroskopy, které zvětšují 50 - 1000 krát. Prostřednictvím optického mikroskopu můžeme tedy uvidět a studovat objekty o rozměru větším než asi 500 nanometrů. Zobrazení menších objektů optické mikroskopy neumožňují, jelikož jejich možnosti zvětšení jsou principiálně omezeny vlnovou délkou světla. Vlnové délky viditelného světla vnímaného našim zrakem se pohybují přibližně v intervalu 400 – 700 nanometrů (400 nm – modré světlo, 600 nm – žluté světlo, 700 nm – červené světlo). Viditelné světlo je tzv. elektromagnetická vlna o vlnových délkách ve výše uvedeném intervalu (400 – 700 nm). Mimo tento interval pozorujeme a využíváme jiné elektromagnetické vlny (obr. 42). Například elektromagnetické
vlny o délce asi jeden centimetr (1 cm = 10-2 m), tzv. mikrovlny využíváme k ohřevu v mikrovlnných troubách. Ultrafialové vlny o délce menší jak 400 nm opalují naše těla, zároveň však mohou způsobit zánět spojivek. V soláriu chráníme náš zrak brýlemi. Obrázek 42 Spektrum elektromagnetických vln
K pozorování objektů menších než 500 nanometrů potřebujeme jiný než optický mikroskop. Pro zobrazení objektů nanosvěta (1 nm až 100 nm) využíváme elektronové mikroskopy a tzv. mikroskopy skenující sondou. V posledních letech se stále častěji pro pozorování nanometrových objektů místo pojmu mikroskopie používá termín nanoskopie. Elektronové mikroskopy využívají k zobrazení proud elektronů. Princip fungování mikroskopu skenující sondou je složitější, k zobrazení se využívá vzájemná interakce (působení) sondy a pozorovaného objektu. Oba mikroskopy dovolují zobrazit a pozorovat objekty (obr. 43 a 44) až do rozměru jedné desetiny nanometru (0,1 nm = 10-10 m), dovolují nám tudíž uvidět jednotlivé atomy (rozměry atomů se pohybují v intervalu od 0,1 nm do 1 nm). Obrázek 43 Příklady snímků elektronové mikroskopie
79
Obrázek 44 Příklady snímků mikroskopie skenující sondou
6.2.
Co jsou NANOTECHNOLOGIE?
Nanotechnologie jsou postupy vedoucí k vytvoření užitečných funkčních materiálů, zařízení a systémů v oblasti nanometrických rozměrů. Materiálů, zařízení a systémů, které mají nové fyzikální, chemické, biologické vlastnosti. Prostřednictvím nanotechnologií můžeme tedy připravit nové materiály - nanomateriály, sestavit nová miniaturní zařízení – nanoobjekty, nanostruktury. Společným a určujícím jmenovatelem nanomateriálů a nanoobjektů jsou nové vlastnosti, různé od vlastností větších objektů. Jako příklad nových vlastností si můžeme uvést závislost teploty tání zlata (Au) na rozměru částic. Obvyklá teplota tání zlata je 1064 °C, pokud se však zlato vyskytuje jako částice menší než 10 nm teplota tání klesá a u částic velikosti asi 2 nm dosahuje 500 °C (obr. 45).
Teplota tání [°C]
Obrázek 45 Příklady snímků mikroskopie skenující sondou
Poloměr částic [nm] Jiným příkladem změny vlastností nanomateriálů je změna zbarvení zlata (obr. 46). Běžně se zlato v přírodě vyskytuje jako žlutý kov. Již v polovině 19. století fyzik Michael Faraday
(1791-1867) provedl pokus, kdy povrch skla obarvil nanočásticemi zlata o rozměru 20 - 40 nm. Výsledná barva byla červená. Obrázek 46 Přírodní kovové zlato žluté barvy (vlevo), Faradayovo zbarvení skla nanočásticemi zlata o rozměru 20-40 nm (vpravo).
Již staří Římané znali antibakteriální a protiplísňové účinky stříbra (Ag). Účinnost jejich postupů (do nádoby s vínem či mlékem dávali stříbrnou minci) byla však velmi nízká. Dnes je na trhu celá řada výrobků využívajících antibakteriální účinky stříbra a účinnost je mnohokrát vyšší. Stříbro je využíváno ve formě nanočástic. V čem je podstata vyšší efektivity? Deset gramů stříbra zaujímá objem asi 1 cm3. Tento kousek stříbra si můžeme představit jako krychli o hraně 1 cm. Povrch této krychle je tudíž 6 cm2. Je zřejmé, že reakce s bakteriemi se mohou zúčastnit pouze atomy na povrchu krychle. Nyní místo krychle o hraně 1 cm použijme krychličky o hraně 1 mm. 10 g stříbra je reprezentováno tisícem krychliček o hraně 1 mm a povrch těchto krychliček je 6 000 mm2, tj. 600 cm2. Zmenšeme ještě naše krychličky na krychličky o hraně 100 nm. Jednoduchým výpočtem dostaneme, že počet krychliček je jedna biliarda - 1015 a jejich povrch 600 000 cm2 = 60 m2. Z výše provedených výpočtů můžeme, odhadnou, že antibakteriální účinnost 10 g stříbra bude stotisíc krát (105 krát) větší pokud použijeme nanočástice stříbra o rozměrech 100 nm než při užití kousku stříbra rozměrem 1 cm. Z tohoto plyne, že při použití nanočásticového stříbra, množství stříbra v antibakteriálních krémech, mýdlech a pracích prášcích nabízených na trhu nemusí být vůbec velké. Vidíme, že nanočásticových materiálům je vlastní velký povrch. Obecně je tato vlastnost využívána k urychlení, zlevnění a zefektivnění řady chemických procesů, kde prostřednictvím tzv. katalyzátoru1 je chemický proces ovlivňován. Jako katalyzátory jsou často využívány vzácné kovy (platina, ruthenium, aj.), při jejich použití ve formě nanočástic potřebujeme menší množství. Obecně nanotechnologie dělíme do dvou velkých skupin. První skupinu tvoří metody a technologie kdy je nanoobjekt vytvářen tzv. „od spodu nahoru“ (angl.. bottom to up). Do této skupiny spadají takové procesy jako nanomanipulace, chemické syntézy. Na obrázku 7 vidíme příklad vytvoření nápisu IBM pomocí 35 atomů xenonu prostřednictvím technologie založené na mikroskopii skenující sondou (vytvořeno v roce 1993). Příkladem chemické syntézy nanočástic je syntéza nanočástic stříbra cestou redukce rozpustné stříbrné soli kyselinou askorbovou (obr. 47). 1
Katalyzátor je materiál (chemická sloučenina), který vstupuje do chemické reakce a zároveň z této reakce vystupuje. Jeho přítomnost mění reakční cestu na více výhodnou, tímto se dosahuje urychlení, zefektivnění dané chemické reakce.
81
Druhým typem nanotechnologií jsou metody vytváření nanostruktur tzv. „ze shora dolů“ (angl. up to down), kdy dochází k postupnému fyzikálnímu nebo chemickému dělení materiálu. Příkladem jsou tepelné rozklady látek a mletí za nízkých teplot - kryomletí (obr. 48). Obrázek 47 Nápis IBM vytvořený uspořádáním 35 atomů xenonu vlevo – mikroskopie skenující sondou, vpravo – nanočástice stříbra – elektronová mikroskopie
Obrázek 48 Hematitová nanostruktura vzniklá tepelným rozkladem FeCl3•6H2O vlevo – elektronová mikroskopie vpravo - nanočástice mědi připravené kryomletím – elektronová mikroskopie
6.3.
Fyzikální podstata nanostruktur
Je velmi těžké vysvětlit chování a vlastnosti nanostruktur bez hlubokých znalostí fyziky a matematiky. Následující tvrzení je třeba přijímat jako fakta s tím, že snahou použitého popisu je alespoň trochu pochopit zvláštní chování nanoobjektů. Nanočástice a nanostruktury se svými rozměry a z nich vyplývajícími vlastnostmi nacházejí mezi makrolátkou (objekty větší než stovky nanometrů), pro kterou platí klasická fyzika, a atomárními nebo molekulárními systémy (objekty menší než jednotky nanometrů), pro které platí fyzika kvantová. Rozdíl mezi klasickou a kvantovou fyzikou si můžeme demonstrovat prostřednictvím chování volného elektronu a elektronu uvězněného v nějaké pasti. Chování volného elektronu můžeme popsat pomocí zákonů klasické mechaniky (Newtonovy zákony) a ukazuje se, že energie volného elektronu může nabývat libovolných hodnot. Fyzikové hovoří o tom, že energie se může měnit spojitě. Pokud elektron uvězníme do nějaké pasti, např. v atomu vodíku (velikost atomu asi 0,1 nm) je záporný elektron držen elektrostatickými silami mezi ním a kladným
jádrem (protonem), jeho energie nemůže být libovolná, ale může nabývat jen určitých hodnot. Fyzikové hovoří o tom, že energie je diskrétní a může se měnit pouze skokově. Situaci můžeme demonstrovat prostřednictvím spektra světla generovaného žárovkou a trubicí naplněnou vodíkem (vodíková výbojka). Ve spektru žárovky vidíme všechny vlnové délky (obr. 49) – volné elektrony tekoucí vláknem žárovky mají různou libovolnou energii. Na druhé straně ve spektru vodíku vidíme pouze některé barvy (obr. 49) – energie elektronu v atomu vodíku může nabývat jenom některých hodnot. Analogicky se chovají plyny jiných prvků. Obrázek 49 Optická spektra některých plynů a běžné žárovky
Obrázek 50 Snímek nanočástice CdSe z elektronového mikroskopu (vlevo), fluorescence koloidního roztoku (suspenze) nanočástic CdSe (vpravo).
Rozměr nanočástic, nanostruktur, nanoobjektů se ukazuje dostatečně malý a tyto vlastně tvoří past, ve které jsou elektrony uvězněny. Důsledkem je že energie elektronů může nabývat jenom určitých hodnot (diskrétní energie) a jejich chování a vlastnosti se liší od chování makrolátky. Některé vlastnosti nanočástic a nanostruktur se dají měnit jejich velikostí a tvarem. Příklad závislosti fluorescence na velikosti nanočástic je ukázán na obrázku 50. Nanočástice o rozměru asi 2 nm generují modré světlo, nanočástice o rozměru asi 6 nm generují světlo červené. Pasti, do kterých se uvězní elektrony, se vytváří ohraničením prostoru, kde částice a struktury vznikají. Tento prostor může být volný nebo ohraničen v jednom, ve dvou nebo ve všech třech rozměrech. Hovoříme o prostorovém omezení, tzv. restrikci. Podle počtu omezených 83
rozměrů zkoumané struktury se rozlišují čtyři typy struktur, každá se specifickými vlastnostmi (obr. 51):
trojrozměrné útvary (bez restrikce) – objemové látky (makrolátky), dvojrozměrné útvary (restrikce jednoho rozměru) - kvantové jámy, tenké vrstvy, jednorozměrné útvary (restrikce dvou rozměrů) - kvantové dráty, tyčinky, útvary tzv. nulté dimenze (restrikce tří rozměrů) - kvantové tečky. Obrázek 51 Klasifikace kvantově omezených struktur.
Kvantové vlastnosti se u nanočástic a nanostruktur začínají projevovat, když jsou jejich rozměry srovnatelné nebo menší než tzv. de Broglieho2 vlnová délka elektronu. De Broglieho vlnová délka elektronu nám udává rozměr pasti, ve které je elektron uvězněn. Elektron, jehož pohyb je prostorově omezen, se začne projevovat kvantovými efekty, např. štěpení energetických hladin nanočástice (což se projeví makroskopicky jako změna barvy).
6.4.
Historie NANO
Není zcela jasné, kdy lidé poprvé začali, ač nevědomky, využívat vlastností nanostruktur. Je známo, že ve 4. století po Kristu vyráběli římští sklenáři sklo, obsahující kovy, jež byly v současnosti identifikovány jako částice rozměrů „nano“. Tyto částice nanometrických rozměrů způsobovaly jedinečnou barevnost skel. Asi nejznámější jsou tzv. Lykurgovy poháry uložené v Britském muzeu v Londýně. Na pohárech je zobrazen Lykurgos, mytologický thrácký král, jak je lákán do podsvětí Ambrosií, která se proměnila ve vinnou révu. Poháry v závislosti na osvětlení nabývají neobvyklých barev. Je-li pohár pozorován v odraženém světle je žluto-zelený, je-li však světelný zdroj umístěn dovnitř, je pohár červený (obr. 52). Chemické analýzy ukázaly, že chemické složení skla je podobné složení současných moderních skel Sklo pohárů však obsahuje velmi malé množství zlata a stříbra, tyto částice se ve skle nacházejí ve formě nanokrystalů o rozměrech asi 70 nm. Technologie výroby těchto pohárů a dosahování podobných vlastností římskými skláři není známa.
2
Louis de Broglie (1892 – 1987) francouzský fyzik, navrhl princip duality částic a vlnění (částice se chová jako vlna a naopak vlna se chová jako částice). Za svůj objev obdržel v roce 1929 Nobelovu cenu za fyziku.
Obrázek 52 Lykurgův pohár při vnějším osvětlení (vlevo) a osvětlení uvnitř poháru (vpravo).
Také obrovské rozsahy barev skel středověkých katedrál jsou důsledkem nanočástic přítomných ve skle. Podíváme-li se v chrámu sv. Víta na barevnou mozaiku v oknech, vidíme barevný projev kovových nanostruktur ve skle, vidíme jejich optické vlastnosti, například zlata, které způsobuje intenzivní červené zbarvení skla, a jiných kovových částic, které jsou vlastně nanostrukturami. Lidé znali tyto praktické výroby a procesy, aniž by věděli něco o nanostrukturách a nanotechnologiích. Jiným příkladem užití nanotechnologií jsou lesklé glazované keramiky z 13. - 16. století. Lesk těchto keramik vyvolává dekorativní film o tloušťce 200 - 500 nm, obsahující stříbrné sférické nanokrystaly rozptýlené v matrici bohaté na křemík, přičemž vnější vrstva filmu o tloušťce 10—20 nm částice stříbra neobsahuje. Kompozitní struktura má optické vlastnosti závislé jak na rozměru částic stříbra, tak na matrici. Tyto vrstvy jsou zřejmě prvním nanostrukturním filmem reprodukovatelně vyráběným člověkem. V 18. století upadlo v zapomnění tajemství výroby damascénské oceli, ze které dokázali arabští zbrojíři vyrobit meče schopné přetnout vznášející se hedvábný šátek a které neztupil ani úder do kamene. Teprve moderní věda přišla s vysvětlením obdivuhodných vlastností damascénské oceli. Analýzou čepele meče vyrobeného slavným damaškým kovářem Assadem Ulláhem fyzikové zjistili přítomnost dutých uhlíkových nanovláken – nanotrubiček. Podobné nanotrubičky jsou dnes součástí tenisových raket, rámů závodních kol, konstrukčních prvků, jež musí odolávat extrémní námaze.
85
Obrázek 53 Meč s damascénské oceli (vlevo), uhlíkové nanotrubičky – elektronová mikroskopie (vpravo)
V roce 1861 Thomas Graham, britský chemik popsal suspenzi obsahující částice o rozměrech 1—100 nm, kterou nazval koloidním systémem. Tímto položil základ oboru, nazývaném koloidní chemie, která se tedy už více jak 100 let nanočásticovými systémy zabývá. Příkladem průmyslového využití nanomateriálu jsou saze. Již více jak 100 let se vyrábějí spalováním organických látek jako nanočástice amorfního uhlíku o velikostech 10 – 500 nm a dominatně se používají jako plnivo při výrobě pneumatik. Slovo nanotechnologie je z historického pohledu slovo nové, poprvé jej použil profesor tokijské univerzity Norio Taniguchi (1912 – 1999) v roce 1974 při popisu výrobních způsobů k dosažení nanometrové přesnosti v polovodičovém průmyslu. Impulsem bouřlivého zájmu o nanotechnologie a jejich rozvoje se stala historická přednáška amerického fyzika, laureáta Nobelovy ceny, Richarda Feynmana (1918 – 1988) na výročním zasedání American Physical Society v Pasadeně v roce 1959 "There's Plenty of Room at the Bottom" (Tam dole je spousta místa). Ve své přednášce hovořil o možnostech manipulace s objekty atomárních rozměrů, hovořil o možnostech vytváření nových struktur a objektů jejich skládáním z jednotlivých atomů. Dalším impulsem byly knihy Erica Drexlera (1955 - ), především kniha „Engines of Creation - The Coming Era of Nanotechnology“ (Stroje tvoření - Nastupující éra nanotechnologie), ve které rozvíjel technologie vytváření komplexních struktur na molekulární úrovni a nazval je molekulárními nanotechnologiemi. Slovo nanotechnologie i impulsy, které vyvolaly její bouřlivý a systematický rozvoj jsou pár desítek let staré.
6.5.
NANO a příroda
I když dnes rozumíme celé řadě vlastností nanostrukturovaných materiálů a cíleně směřujeme k jejich využití, i když jsme relativně dlouhou historickou dobu vlastnosti nanomateriálů využívali bez znalosti jejich podstaty, nedokážeme ani z malé části to co dokáže příroda. Příroda dokáže vytvářet nanometrové funkční systémy a to jak v živé tak i v neživé oblasti. Mnohé námi konstruované systémy a funkční celky jen nedokonale kopírují přírodu. Celá řada biologických materiálů a objektů může být zařazena mezi nanočástice. Jsou to například viry, jejichž rozměry se pohybují v intervalu 10 – 200 nm, bílkoviny s rozměry 4 – 50 nm. Základními stavebními prvky proteinů je 20 aminokyselin, rozměry kterých jsou kolem 0,6 nm. Při vytváření proteinu jsou aminokyseliny vázány do dlouhých polypeptidických řetězců, které můžeme považovat za nanodrátky. Dvojitá šroubovice DNA
(deoxyribonukleová kyselina), tvořící genetický materiál, může být rovněž považována za nanodrát, který je stočen do chromozomu s rozměry cca 5 μm. Příroda své struktury a funkční systémy konstruuje hierarchicky. Takové struktury využitím interakcí na rozhraní mezi různými úrovněmi hierarchie dosahují velké účinnosti. Příkladem takové struktury může být šlacha. Funkcí šlachy je přichytit sval ke kosti. Z biologického hlediska je základním stavebním kamenem šlachy seskupení aminokyselin (0,6 nm), které tvoří protein podobný želatině, zvaný kolagen (1 nm), který se stáčí do trojité šroubovice (2 nm). Pak následuje trojitá sekvence fibrilárních nanostruktur či nanostruktur podobným vláknům; mikrofibrila (3,5 nm), subfibrila (10 - 20 nm) a samotná fibrila (50 - 500 nm). Poslední dva konečné kroky ve výstavbě šlachy představují svazek vláken zvaný fascikulus (50 - 300 μm) a samotná šlacha (10 - 50 cm), které jsou daleko za nanometrickou škálou rozměrů. Přírodou využívanou nanotechnologií je biomineralizace. Příkladem jsou tzv. biogenní magnetické nanočástice. V roce 1975 objevil mikrobiolog Richard P. Blakemore magnetotaktické bakterie. Tyto bakterie si vytváří sférické krystality magnetitu (Fe3O4) o rozměru cca 50 nm (obr. 54), které jsou přesně orientované a předávají jí magnetický moment rovnoběžný s její osou pohyblivosti. Řetízky částic nazývaných magnetosomy slouží jako jednoduché střelky kompasu, které pasivně zkrucují buňky bakterie, aby byly vyrovnány souběžně se zemským magnetickým polem a bakterie tak mohla snáze najít její nejpřirozenější prostředí mikroaerofilní zónu na rozhraní kal/voda. Je zajímavé, že tyto bakterie plavou na severní polokouli vždy k severnímu magnetickému pólu a na jižní polokouli k jižnímu magnetickému pólu. Obrázek 54 Snímky magnetotaktických bakterií s řetízky magnetických nanočástic z elektronového mikroskopu: bakterie byly vypěstované v Centru výzkumu nanomateriálů Univerzity Palackého v Olomouci (vlevo), bakterie z Plešného jezera na Šumavě.
Jiným udivujícím příkladem přírodního nanomateriálu je květ lotosu rostliny podobné leknínu. Lotos je ve východní kultuře ztělesněním krásy a čistoty. Lotosové květy, vyrůstající z bahnitého dna vodní plochy, jsou však stále čisté. Tajemství čistoty lotosových květu vysvětlují nanotechnologie. Povrch listů a květů lotosu je pokryt zvláštní vodoodpudivou vrstvou, která způsobuje, že vodní kapky z povrchu sklouzávají a při tom sebou dokonce odnášejí různé nečistoty. Základem vodoodpudivé vrstvy jsou drobné šupiny vosku ve tvaru jehlic. Povrch jehlic tvoří molekuly vosku, mající charakter dlouhých řetězců (obr. 55). Vědci takový typ povrchu nazývají superhydrofobní.
87
Obrázek 55 Povrch lotosového listu – elektronová mikroskopie (vlevo), superhydrofobní povrch tvořený uhlíkovými nanotrubicemi (vpravo).
6.6.
Příklady umělých (syntetických) nanostruktur
Uhlíkové nanostruktury Uhlík je jedním z nejrozšířenějších prvků. Elementární uhlík vykazuje tzv. alotropii, což je zvláštní případ polymorfie některých prvků, které se mohou vyskytovat ve více modifikacích s odlišnou strukturou a fyzikálními vlastnostmi, ale chemicky se chovají podobně. Běžně známé alotropické modifikace elementárního uhlíku jsou grafit (tuha) a diamant (obr. 56). Grafit měkký materiál, diamant nejtvrdší materiál jaký známe. Struktura grafitu je tvořena tzv. grafenovými vrstvami, což je dvojrozměrně uspořádaná periodická planární síť uhlíkových atomů. Tyto vrstvy jsou mezi sebou vázány slabými silami, ale jsou na sebe nakladeny tak, že tvoří trojrozměrnou periodickou strukturu. Ve struktuře diamantu jsou uhlíkové atomy uspořádány tak, že každý atom uhlíku, ležící ve středu pravidelného tetraedru má ve svém nejbližším okolí čtyři další uhlíkové atomy, které obsazují vrcholy tetraedru. Vzájemným propojením tetraedrů vzniká pevná periodicky uspořádaná struktura. Obrázek 56 Grafit a jeho struktura (vlevo), diamant (vpravo).
Méně známou přírodní alotropickou modifikací je tzv. šungit, dvě miliardy let stará neprůhledná černá uhlíková hornina, jejíž jediné naleziště se nachází v Karélii v severozápadním Rusku. Od grafitu a diamantu se šungit liší strukturou. Atomy uhlíku jsou uspořádány do šestiúhelníků svinutých do uzavřeného tvaru. Tyto molekuly uhlíku se nazývají fullereny (obr. 57). V roce 1996 za objev fullerenů a studium jejich vlastností obdrželi R. F. Curl (1933 -), R. E. Smalley (1943 - 2005) a H. W. Kroto (1939 -) Nobelovu cenu za chemii.
Obrázek 57 Struktury fullerenu (vlevo), nerost šungit (vpravo).
Za uspořádanou strukturu jsou považovány také uměle připravené nanotubulární formy, tzv. nanotrubičky, jejichž cylindrická struktura je tvořena svinutými grafenovými vrstvami. Tato forma byla objevena v roce 1991 japonským fyzikem Sumio Iijimou (1939 -) a z hlediska strukturního uspořádání je nanotubulární uhlík dělen na jednovrstevný (SWNT – singlewalled carbon nanotube) a vícevrstevný (MWNT – multiwalled carbon nanotube) strukturní typ (obr. 58). V roce 2005 se objevila nanostrukturní forma uhlíku, která je nazývána grafen (obr. 59). Je to vlastně rozvinutá nanotrubka, či jedna grafenová vrstva grafitu. Také je tento materiál nazýván dvourozměrným fullerenem. S jistou nadsázkou můžeme říci, že byla vytvořena tkamina o jednoatomové tloušťce. Pánové Andrej Geim (1958 - ) a Konstantin Novoselov (1974 - ) za objev grafenu obdrželi v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku. Obrázek 58 Vícevrstvé uhlíkové nanotrubičky: model dvouvrstvé nanotrubičky (vlevo), snímek vícevrstvých uhlíkových nanortubiček z transmisního elektronového mikroskopu (uprostřed), uhlíkové nanotrubičky snímek ze skenujícího elektronového mikroskopu (vpravo).
89
Obrázek 59 Struktura grafenu (vlevo), list grafenu o velikosti asi 5 μm (vpravo).
Uhlíkové nanomateriály se jeví jako perspektivní materiál pro celou řadu aplikací. Uhlíkové nanotrubičky jsou charakterizovány zajímavými elektrickými, pevnostními vlastnostmi. V závislosti na orientaci uhlíkových šestiúhelníků vůči podélné ose se uhlíková nanotrubička projevuje jako vodič či polovodič. V roce 2001 byl zkonstruován na bázi uhlíkových nanotrubiček první logický obvod (negátor), tranzistor řízený polem na bázi grafenu pracující při pokojové teplotě byl postaven o čtyři roky později. Byly syntetizovány uhlíkové nanotrubičky emitující světelné záření (light-emitting nanotube, LEN), které mohou najít své využití v optických komunikačních systémech, v zobrazovacích jednotkách. Nanotrubičky jsou charakterizovány také excelentními mechanickými vlastnostmi, tak pevnost v tahu těchto nanotrubiček dosahuje 100 GPa3 při hustotě 1,34 g/cm3 (vysoce pevnostní oceli mají pevnost v tahu okolo 1 GPa při hustotě 7,8 g/cm3). Byla vytvořena nanotextilie (obr. 60), přesněji pásek o šíři 5 cm, délce několik metrů a tloušťce 50 nm, s pevností větší než ocel. Tato fólie je velmi pevná, současně vodivá a opticky průzračná. Uhlíkové nanotrubičky se již dnes využívají ve výrobě tenisových raket, rámů závodních kol, leteckých a automobilových dílů, které takto získávají lepší pevnostní a pružnostní vlastnosti. Obrázek 60 Nanotextilie z uhlíkových vláken.
Nanočástice železa Nanočástice čistého železa je možné připravit redukcí oxidu železitého (Fe2O3), ve vodíkové atmosféře. Podmínky vlastního procesu (teplota, tlak, atmosféra, doba) ovlivňují vlastnosti konečného produktu. Nanočástice železa jsou pyrolytické, tj. při styku se vzduchem hoří (obr. 61). Nanočástice železa je možné pasivovat ochrannou oxidickou slupkou, pak jsou na vzduchu stabilní. Velmi zajímavé využití našly nanočástice železa při čištění kontaminovaných podzemních vod.
3
1 GPa = 1000000000 Pa = 109 Pa, 1 Pa (pascal) jednotka tlaku, normální atmosférický tlak je 101325 Pa = 760 torr.
Obrázek 61 Hořící nanočástice železa (vlevo), nanočástice železa o velikosti asi 50 nm s oxidickou povrchovou vrstvou (uprostřed), vodní suspenze nanočástic železa při užití (vpravo).
Magnetické nanočástice Magnetické nanočástice, např. nanočástice magnetitu (Fe3O4), mohou být využity jako magnetické nosiče léčiv nebo v magnetických separačních procesech nebo při léčbě pomocí hypertermie, tj. nadměrným zahřátím tkání. Výše jsme viděli, jak v přírodě dokáží magnetické nanočástice využít některé bakterie k orientaci, stejně je využívají k orientaci ptáci. Na obrázku 62 vidíme nanočástice maghemitu (Fe2O3) sloužící jako magnetický nosič nanočástic stříbra (Ag) jako antibakteriální látky. Pomocí magnetického pole můžeme manipulovat s nemagnetickým stříbrem. Princip magnetické separace vidíme na obrázku 63, pokud jsou znečisťující látky navázány na magnetické nosiče (magnetické nanočástice) je možné je odstranit pomocí magnetu. Při použití magnetických nanočástic při léčbě pomocí hypertermie jsou magnetické nanočástice vpraveny do tkáně. Následně pomocí proměnného magnetického pole jsou částice periodicky přemagnetovávány, a jelikož se při tomto procesu uvolňuje teplo, buňky tkáně se zahřívají. Pokud teplota překročí fyziologickou mez (asi 43 °C) buňky a samozřejmě i celá tkáň odumírají. Toto má využití v onkologii, tj. léčbě zhoubných nádorů. Obrázek 62 Nanočástice magnetitu (vlevo), nanočástice stříbra navázaná na nanočástici maghemitu (vpravo).
91
Obrázek 63 Magnetická separace
Nanovlákna Bez jakékoliv nadsázky dnes můžeme říci, že Česká republika je zemí, která patří ke světové špičce v rozvoji nanotechnologií. Nemalým dílem k tomuto přispěly úspěchy v oblasti výroby a aplikací nanovláken (obr. 64). Nanovlákna jsou vlákna jejichž průměr je desítky nebo stovky nanometrů. Díky tomu u nich můžeme využít řadu nových pozoruhodných pevnostních, elektrických, optických vlastností. Nanovlákno o hmotnosti o málo větší než 1 gram by obtočilo celou zeměkouli kolem rovníku (40 075 km). Jedinou technologií, která dovoluje výrobu nanovlákenných materiálů ve velkém, je tzv. elektrostatické zvlákňování. V silném elektrostatickém poli je zvlákňována tavenina. Přelomová technologie se objevila v roce 2005 (NANOSPIDER) a dovoluje vyrábět nanovlákna ve velkém průmyslovém měřítku. Obrázek 64 Nanovlákna (vlevo), elektrostatické zvlákňování (uprostřed), nanotextilie na výstupu ze zvlákňovacího stroje (vpravo).
6.7.
NANObudoucnost
Hlavním znakem 20. století je nebývalý rozvoj vědy a techniky ve srovnání s předchozí dobou. Koncem minulého století spatřily světlo světa tři technologické oblasti, které se vzájemně ovlivňují a postupně prorůstají. Jsou to informační a komunikační technologie, moderní biotechnologie a biomedicína a nanotechnologie. Jejich rozvoj v posledních čtyřiceti - padesáti letech nenastal současně. Zatím co nové aktivity v informačních a komunikačních technologiích začaly být zřetelné od šedesátých let minulého století (osobní a přenosné počítače, internet, mobilní telefony, e-mail, aj.), biotechnologie zaznamenaly svoji modernizaci od osmdesátých let minulého století (genové inženýrství, počátky klonování).
Nanotechnologie, které si kladou za cíl setření hranice mezi přírodními a lidmi vytvářenými molekulárními systémy, se intenzivně začaly rozvíjet na přelomu tisíciletí. Příroda ve své dokonalosti a různorodosti je pro nanotechnologie vzorem. Naše budoucnost je sestavování digitálních procesorů a pamětí, generátorů energie, umělých tkání a lékařských zařízení. Toto vše se odehrává v měřítku příliš malém pro sledování naším zrakem a navíc podle nových pravidel. Jestliže dnes celá řada komerčních produktů obsahuje nanotechnologie (uhlíková vlákna v tenisových raketách, nanočástice oxidu titaničitého ve filtrech ultrafialového záření, částice stříbra v antibakteriálních tkaninách, aj.) v budoucnu přejdeme k produktům, které jsou nanotechnologií. Plastové svaly Umělé svaly umožní robotické rybě plavat, pomohou lidským očím mrkat, hendikepovaným poskytnou protézy nerozlišitelné od skutečných orgánů. Základem budou niťovité nanoskopické polymery, které se budou při zahřívání roztahovat při ochlazování smršťovat, tak aby fungovaly jako buněčné membrány, vlákna umělého srdce. Výzvou pro rozvoj této technologie je nalezení konstrukčních polymerů, které se mohou samy předvídatelně skládat do struktur chovajících se jako umělé svaly. Tkáně kyborgů Umělá tkáň propojená na buněčné úrovni elektronikou nanometrických rozměrů. Místo implantování elektronických zařízení do existujících orgánů budou pěstovány syntetické tkáně na podpůrné konstrukci obsahující nanoskopické elektronické senzory. Takové nanoelektronické konstrukce moou být základním stavebním kamenem umělých tkání, které samostatně nejen diagnostikují zdravotní problémy, ale tyto problémy i řeší. Cílem vědců je sloučit tkáň s elektronikou tak že bude těžké rozlišit, kde končí tkáň a kde začíná elektronika. Elektrárny z virů Viry mohou být využity ke konstrukci nanoskopických zařízení na výrobu energie. Geneticky upravený bakteriofág M13, tyčinkový virus o průměru asi 7 nm a 900 nm dlouhý, je schopen měnit mechanickou (pohybovou) energii na elektrickou a naopak. Případné nanovýroba je zde založena na schopnosti přírody syntetizovat biomateriály ve virech, které se mohou samy replikovat, vyvíjet a skládat se s přesností na jeden atom. Piezoelektrické materiály založené na virech by mohly napájet budoucí nanoskopické senzory uvnitř lidského těla tak, že budou využívat vibrační energii například z úderů srdce. Tři výše uvedené příklady jsou malým zlomkem z množiny potenciálních nanoskopických materiálů, o kterých každodenně hovoří vědci v odborných i populárních časopisech. Tyto nápady a úvahy nás na první pohled zavádí do světa fantazie a světa nemožného. Kde však je hranice mezi fantazií a skutečností? Co je možné a co je nemožné? Kolem roku 2100 očekávají zastánci nanotechnologií vytvoření tzv. molekulárního assembleru neboli „replikátoru“ schopného vytvořit všechno. Byl by to stroj, do kterého bychom vložili suroviny a následně by se miliardy a miliardy miniaturních nanoskopických robotů (nanobotů) pustily podle svého naprogramování do práce. Rozebrali by molekulu po molekule suroviny a následně molekulu po molekule podle zadaného scénáře složili do zcela nového produktu. Replikátor – koruna inženýrství a vědy, definitivní vrchol lidské snahy něco zhotovit, vyrobit. Fantazie nebo s pohledu desetitisíciletého vývoje lidstva blízká budoucnost? 93
SHRNUTÍ Text kapitoly seznamuje s odborným pojmoslovím, vysvětluje, co jsou nanotechnologie, jaká je podstata nanostruktur a seznamuje s historií NANO. Významnou částí je konstatování s příklady, že příroda dokáže vytvářet nanometrové funkční systémy a člověk je dosud nedokonale kopíruje. Složitější části jsou příklady umělých nanostruktur již v praxi aplikovaných, stejně jako výhledy do budoucna týkající se uplatnění nanotechnologií. KONTROLNÍ OTÁZKA 1. Má vztah chřipkové onemocnění s nanoproblematikou? 2. Které nanotextilie znáte a jaké mají vlastnosti? 3. Víte proč je vysoce kvalitní tenisová raketa tak drahá? ŘEŠENÍ Vzhledem k tomu, že v oblasti rozvoje nanotechnologií patří ČR již dnes k velmi progresivním zemím, je naděje, že se výsledky nových produktů projeví brzy na trhu v oblastech, které jsou v závěrečné části textu kapitoly naznačovány. ÚKOLY K PROCVIČENÍ Sami se zamyslete nad tím, kde jste se, byť nevědomky, s nanoproblémy již setkali.
LITERATURA 1) Atlas morfologičeskich tipov železnomargaucebych konkreceij Tichogo okeana. Moskva, 1985. 2) Biotechnologie. Sborník referátů. Neubuz: Mondon s.r.o., 2004 ISBN 80-903108-6-9 3) BRYSON, B.: Stručná historie téměř všeho. Pragma, Praha, 2003. ISBN 80-7205-181-4 4) CARROLL, S. B.: Nekonečné, nesmírně obdivuhodné a překrásné. Nová věda evodevo. Praha, 2010. ISBN 978-80-200-1800-7 5) ČUBA F., HURTA J., Nové cesty českého zemědělství. Neubuz: Mondon s. r. o. 2008 ISBN 978-80-903108-9-6 6) ČUBA F., HURTA J., Zemědělství pro příští dvacetiletí, Zlín 2012 ISBN 978-80-2602099-8 7) FAO Global Agriculture Production. Volume and Value Statistics. Databáze Updated to 2012, FAO Fisheries and Agriculture Department, March 2014 8) FILIPOVÁ, Z., KRATOŠOVÁ, G., SCHRÖFEL, A., MAŠLÁŇ, M.: Biozyntéza nanomateriálů. Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 2012, 63 ss. ISBN 97880-244-3202-1 9) FILIPOVÁ, Z., KUKUTSCHOVÁ, J., MAŠLÁŇ, M.: Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 2012, 67 ss. ISBN 978-80-244-3201-4 10) Global Trends 2030: Alternative World. National Intelligence Council 2012 ISBN 978-1929667-21-5 11) Gran atlasy geografia de Colombia. Intermedio, 2004. ISBN 958-709-154-x 12) HONČARIV R., Genetika na prahu 21. storočia, Bratislava, Obzor, 1985 13) HRAŠKO J., Trvalo udržateľný rozvoj – ilúzia a realita, Rukopis 2014 14) JENÍČEK V., Zemědělství a soběstačnost ve výrobě potravin, Praha: SZN, 1984 15) KOLÁŘOVÁ, L.: Úvod do nanovědy a nanotechnologií, Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 2014, 45 ss. ISBN 978-80-244-4179-5 16) KUBÍNEK, R., VŮJTEK, M., MAŠLÁŇ, M.: Nanoskopie, Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 2012, 122 ss. ISBN 978-80-244-3102-4 17) KUBÍNEK, R., VŮJTEK, M.: Nanotechnologie a její aplikace v elektronice, Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 2014, 60 ss. ISBN 978-80-244-4008-8 18) Prehistorie, Knižní klub Euromedia group, Praha, 2010. ISBN 978-80-242-2683-5 19) PŘIBYL J., PŘIBYLOVÁ J., Současný stav ve šlechtění skotu. Náš chov 24. 4. 2001 20) SCHEJBAL, C.: Nauka o Zemi. Vysoká škola logistiky, o.p.s., Přerov, 2008. 21) ŠERÁK K., Izrael – země kapkové závlahy. http://zahradaweb.cz/Izrael-kapkovezavlahy/ 20. 5. 2011 22) Tajemství vesmíru, 7 – 8, 2014. 23) VEVERKA, M.: Evoluce svým vlastním tvůrcem. Prostor, Praha, 2014. ISBN 978-807260-295-7 Poznámka: Všeobecně známé obrázky nejsou citovány. Jedná se o takové informace, které jsou obecně známé, nezpochybnitelné, popřípadě snadno ověřitelné ve všeobecných publikacích (encyklopedie nebo základní učebnice)
95
ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY A ŽÁKY
7. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL Rajská zahrada nebo zelené peklo? Tak bývají nazývány tropické deštné pralesy. Jaká je tedy odpověď na otázku v názvu této stručné reálie? Musíme si přiznat, že platí obojí. Jsou krásné, jsou plné života, ale jsou i nebezpečné pro člověka, který nepochopil jejich význam pro celou přírodu a tedy i pro lidstvo samotné. Kde se tropické deštné pralesy nachází v současné době je vidět z jednoduché mapky. Jejich celková plocha oproti zbytku pevniny na zeměkouli není nijak veliká a vzhledem k jejich obrovskému významu je proto zapotřebí je chránit.
Motivace
Jak Vypadá tropický deštný prales? Na jediném hektaru deštného pralesa můžeme najít až 200 druhů stromů, což je ve srovnání s lesy v jiných klimatických pásmech, kde na stejné ploše roste nejvýše 25 druhů, rozmanitost úžasná. Koruny deštného pralesa vytvářejí ve výšce asi 30m rozlehlou a vzájemně propojenou klenbu, kde žije většina zvířat pralesa. Nad touto listnatou „střechou“, složenou z listů, květů a plodů vyčnívají jednotliví stromoví velikáni, dosahující až 60m výšky. Dole pod „střechou“ rostou nízké keře a liány a na místech, kde je silně omezen sluneční svit, rostou pouze řasy a houby. V koruně jediného stromu žije až 30 druhů jiných rostlin. Většina rostlin šplhá za světlem po kmenech stromů. Bohatství rostlinstva podmiňuje i neobyčejně velkou bohatost zvířeny
deštného pralesa. Stromový porost poskytuje pro jejich život vše: úkryty, ložnice i bohatě prostřený stůl s různorodými listy, květy a plody. C deštném pralese vládne hluk i neklid. Protože hustý porost zakrývá výhled, dorozumívají se zvířata voláním a různými dorozumívajícími zvuky. Nejživější ruch vládne ve vrcholcích korun. Stromová zvířata se ve svém vzdušném domově cítí velmi dobře, protože jsou pro tento způsob života dobře vybaveny. Papoušci šplhají po větvích díky mohutnému zobáku, silným drápům a pohyblivým prstům. Lenochodi žijí zavěšeni hlavou dolů na větvích, kterých se přidržují velkými hákovitými drápy. Někteří živočichové využívají svého ocasu jako „páté nohy“ při skocích z větve na větev, např. opice. Na vrcholu potravní pyramidy deštného pralesa stojí velké kočky. V jihoamerickém pralese loví jaguár opice a ptáky na spodních větvích stromů podobně jako levhart v Africe. Tygr v Asii je největší kočkovitou šelmou deštného pralesa. Nad vrcholky pralesa krouží orli a mohutné harpyje, připraveni vrhnout se na svou kořist. Tropický deštný prales je pro celou planetu Zemi důležitý pro obrovskou rozmanitost a množství živočichů a rostlin, které v něm sídlí. Mnohé z nich nebyly člověkem dosud objeveny a popsány. Při dnešním stavu našich znalostí o živé i neživé přírodě víme, že mnohé rostliny i zvířata obsahují látky, které by člověk mohl využít jako léky proti závažným chorobám. Tropický deštný prales má funkci plic naší planety, zásobuje ovzduší kyslíkem, spotřebovává oxid uhličitý a ovlivňuje tak klima celé naší planety. V některých částech tropického deštného pralesa žijí dosud lidské kmeny, které počítám k tzv. přírodním národům. Mají svůj speciální způsob života, který představuje nám už zcela zapomenutý životní styl, podle kterého si tito lidé berou z přírody jen to, co z ní potřebují. My jsme si jako civilizovaní lidé tomuto způsobu už hrozně vzdálili a musíme tyto poslední zbytky kmenů chránit. V současné době jsou deštné pralesy vystaveny drancování člověkem. Jejich odlesňování a těžba vzácných dřevin nebo některých nerostných surovin ohrožuje nejen existenci jich samotných, ale např. spalování velkých objemů rostlinné hmoty pralesa zamořuje atmosféru Země oxidem uhličitým, který je jedním z plynů způsobujících skleníkový efekt a ovlivňuje podnebí na Zemi.
Co víš o deštných pralesech 1. V čem spočívá celosvětový význam tropického deštného pralesa? Stručně popište. 2. Vyjmenujte jaká zvířata, které můžete vidět v ZOO, žijí volně v tropickém deštném pralese? 3. V čem je tropický deštný prales pro člověka nebezpečný? 4. Jakým způsobem a proč dochází k ničení tropických deštných pralesů? 5. Kde se kromě učebnic můžete dovědět o deštném pralese mnoho zajímavého?
97
Úkol
8. PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL Tropické
deštné
pralesy
a
jejich
význam
v globálním
ekosystému Země V globálním ekosystému Země hraje prostředí tropických deštných pralesů významnou úlohu. V tomto specifickém prostředí žije obrovské množství živočichů a rostlin. Většina z nich je dosud nepopsaná a čeká na své zatřídění do rostlinné a živočišné říše. Úkolem člověka je prozkoumat tuto oblast a pokusit se zjistit, zda mohou být tyto velmi různorodé formy živé hmoty pro člověka užitečné. Ukazuje se, že mnohé z nich obsahují látky, které mohou být užitečné pro výrobu léků apod. Je třeba rovněž zjistit za k´jakých podmínek zde rostliny a živočichové žijí, aby mohly být chráněny Motivace proti nepoctivým zásahům člověka. Již dávno je známá funkce deštného pralesa jako „plíce Země“. Člověk mnohdy tento systém nedocenil a jeho ekologickou rovnováhu narušuje např. masivní těžbou vzácných dřevit, vypalováním vegetace pro získávání plochy pro pěstování kulturních plodin, lovení živočichů s atraktivním zbarvením kůže apod. Takové pustošení pralesa může vést k nenávratným škodám.
Práce s mapou Do následující slepé mapy kontinentů zakreslete, kde se tropické deštné pralesy nacházejí a plochy označte barevně.
Úkol
Jaká je plocha deštných pralesů v porovnání s celkovou plochou kontinentů? Odhadněte v procentech.
Úkol
Život v tropickém deštném pralese 1. Popište stručně klimatické podmínky, které panují v oblasti tropických deštných pralesů. 2. Jaká je struktura vegetačního krytu v tropickém deštném pralese? 3. Kteří poměrně známí živočichové žijí v této oblasti? Kde je můžete vidět v našich podmínkách? 4. Kdybyste se ocitli z nějakého důvodu sami v prostředí deštného tropického pralesa, na co byste si museli dávat pozor? Jak se budete chránit? 5. Které dřeviny se z tropického deštného pralesa těží? A proč? 6. Bylo rozmístění tropického deštného pralesa v průběhu vývoje Země vždy takové, jaké je dnes? Podle čeho to poznáte? 7. Objasněte pojem „plíce Země“, který se k deštnému pralesu přiřazuje. 8. Máme v ČR prales, v případě že ano, sdělte kde a o jaký typ jde.
99
Úkol
9. PRACOVNÍ
AKTVITY
PRO
STUDENTY
GYMNÁZIÍ
A
STŘEDNÍCH ODBORNÝCH ŠKOL Nadváha a obezita, výživová doporučení A) Výukový blok před samostatným zpracováním Lidé ve vyspělých zemích, ke kterým se řadí také naše republika, mají k dispozici a konzumují přebytek potravin. Nejen že konzumují přebytek potravin, ale nedodržují vhodnou skladbu potravin, jak ji uvádí výživová doporučení
1. Nadváha a obezita Určování stupně nadváhy a obezity podle Světové zdravotnické organizace je založeno na Indexu tělesné hmotnosti (Body Mass Index) - BMI. Člověk má nadváhu, pokud jeho tělo obsahuje více tuku, než by ideálně mělo mít. Obézní je člověk, jehož tělo obsahuje takové množství tuku, že by to mohlo poškodit jeho zdraví. Lidé s nadváhou se mohou snadno stát obézními, pokud budou pokračovat v konzumaci nevhodných jídel a nebudou-li vykazovat potřebnou fyzickou aktivitu. Pro děti a mladistvé jsou uváděny 4 kategorie tělesné hmotnosti. Výsledky podle výpočtu BMI se korigují podle grafů pro mladistvé.
Kategorie pro mladistvé Kategorie Percentil – rozsah Podváha
méně než 5 percentil (červená dole)
Ideální váha
5 – 85 percentil (jasně zelená)
Nadváha
85 – 95 percentil (žlutá barva)
Obezita
95 percentil a více (červená barva)
Graf Kategorie tělesné hmotnosti pro mladistvé,
Pramen: http://chci-zhubnout.eu/bmi-kalkulacka-pro-deti-a-nactilete/#kalkulacka 2. Stravovací návyky a výživová doporučení Podle Světové zdravotnické organizace trpí v ČR 62% obyvatel starších 20 let nadváhou a 28% obyvatel starších 20 let je obézních. Odborníci na výživu zpracovali různá výživová doporučení, ale jen málo lidí se jimi řídí. Proto, aby se lidé v těchto doporučeních snadno orientovali, jsou zpracována ve formě názorných výživových pyramid nebo výživová doporučení ve formě talířů (např. USA).
Americké výživové doporučení ve formě talíře
101
Potravinová pyramida (česká verze) Cukry, tuky: střídmě Odhad cukry v g
tuky v g
Maso, drůbež, ryby, vejce, luštěniny, ořechy: 1 - 3 porce denně1 porce = 80g masa (po kuchyňské úpravě), 1 vejce, 150–200ml vařených luštěnin Mléko a mléčné výrobky: 2 - 3 porce denně1 porce = 250-300ml mléka, 150-200ml jogurtu, 50g sýra Ovoce: 2 - 4 porce denně1 porce = 1 jablko, banán, pomeranč (100g), 1 miska drobného ovoce (150-200ml), 250-300 ml neředěné ovocné šťávy Zelenina: 3 - 5 porcí denně1 porce = 1 větší mrkev, paprika, rajče, 1 miska salátu (150-200ml), 125g vařené zeleniny nebo brambor, 250-300ml neředěné zeleninové šťávy Obiloviny: 3 - 9 porcí denně1 porce = 1 krajíc chleba (60g), 1 rohlík, 150-200ml ovesných vloček, 125g vařené rýže nebo těstovin
Výpočet BMI indexu Stanovte BMI svým spolužákům ve třídě a po korekci v tabulkách pro mladistvé stanovte stupeň tělesné hmotnosti. Výsledky zapište do tabulky a procenticky vyhodnoťte za třídu Výpočty BMI lze provést podle kalkulačky BMI např. na adrese: http://chci-zhubnout.eu/bmi-kalkulacka-pro-deti-anactilete/#kalkulackahttp
poř
hmotnost
výška
číslo
kg
cm
BMI
Věk
stupeň tělesné hmotnosti podváha
ideální
nadváha
Dívky 1
60
170
20,8
17
x
2
65
165
23,9
18
x
180
27,8
18
3
Chlapci 18
90
Celkem Podíl na celku
procent
x
obezita
Úkol
Spotřeba potravin Podle české verze potravinové pyramidy sledujte týden svou denní spotřebu potravin a zapisujte ji do tabulky. Denní spotřebu zprůměrujte a porovnejte s tabulkou výživových doporučení
Den
jednotka
Cukry
Tuky
Maso, drůbež
mléko a
odhad
odhad
ryby, vejce,
mléčné
luštěniny, ořechy
výrobky
porce
porce
gramy
gramy
Ovoce
porce
Úkol
Zelenina Obiloviny
porce
porce
Pondělí Úterý Středa Čtvrtek Pátek Sobota Neděle Celkem Průměr Doporučení Rozdíl
Vyhodnoťte vaše stravovací návyky. Jaké máte možnosti zlepšit své stravovací návyky?
103
Úkol
Půda – nejcennější bohatství pro lidi. Jméno: Datum:
Třída
A) Výukový blok před samostatným zpracováním Půda tvoří životní prostor pro rostliny a půdní organismy, pro zvířata a člověka, je základem života a probíhá přes ni koloběh látek, zejména vody a živin. Hovoříme o půdě jako o přírodním zdroji. Půda plní užitkové funkce pro člověka: a) je stanovištěm zemědělských a lesních plodin jako přírodní zdroj b) je prostorem pro hospodářské využití Protože výměra půdy je daná, pak zábor půdy pro hospodářské využití snižuje výměru půdy jako přírodního zdroje. Prof. Hraško říká: „Úrodnou produkční půdu je třeba jednoznačně označit za přírodní bohatství a to nejen jednotlivce, ale i národa, státu a celého lidstva. Proto je nezbytné úrodnou půdu pečlivě obhospodařovat a chránit. Tab.1
Rok 2002 2005 2010 2012 Podíl v % 2012/2002 úbytek půdy
Plochy půdy v tis ha ČR 2002 až 2012 Zeměděl. půda 3652 3605 3524 3525
z toho orná půda 2767 2703 2540 2513
96,5
90,8
127
254
neobdělaná % orná půda neobdělané 83 3,0 42 1,6 46 1,8 32 1,3
Pramen: Statistická ročenka ČSÚ 2005 a 2013
V ČR obhospodařované půdy neustále ubývá. Za deset let od roku 2002 ubylo 127 000 ha zemědělské půdy a orné půdy dokonce 254 000 ha, tj. téměř 10 % orné půdy. Opatření proti převodu orné půdy k jinému hospodářskému využití jsou zřejmě slabá. 1. Pěstované plodiny na orné půdě. Pečlivě půdu obhospodařovat znamená také pěstovat takové plodiny, které přinesou co nejvíce výživných látek a čerstvých potravin jak pro lidi, tak pro chovaná hospodářská zvířata.
Obrázek o tom nám dávají osevní plochy a jejich vývoj. Tab. 2
Rok 2000 2005 2010 2012 Podíl % 2012/2000
Vývoj osevních ploch v ČR v létech 2000 až 2012 v tis. ha (vybrané plodiny) Pšenice 973 820 834 815 84
Kukuřice zrno Luskoviny Brambory Řepka Pícniny Zelenina 39 41 69 235 725 32 80 39 36 267 402 9 110 31 23 369 406 9 110 20 21 401 436 8 282
49
30
171
60
25
Pramen: Statistická ročenka ČSÚ 2005 a 2013
Osevní plochy se od roku 2000 mění nepříznivě. Kromě pšenice, které ČR vyrábí nadbytek, poklesly plochy luskovin na polovinu, plochy brambor o 70% a plochy polní zeleniny dokonce o 75 %. Naopak téměř třikrát vzrostly plochy kukuřice na zrno a o 70 % se rozšířily plochy řepky. Obě tyto plodiny se používají především k výrobě biopaliv. Kukuřice k výrobě bioplynu a biolihu, řepka k výrobě metylesteru řepkového oleje (MEŘO), jako příměs do nafty. U luskovin, brambor a zeleniny klesly osevní plochy natolik, že jsme odkázání na dovoz ze zahraničí.
Osevní plochy vybraných plodin v tis. ha ČR 2000 až 2012 3) HospodářskáGraf zvířata.
Půda poskytuje krmiva pro zvířata a prostor pro pastevní chov zvířat. Stavy skotu, prasat a drůbeže od roku 2000 neustále klesají. Přebytkoví jsme v potravinách, které poskytuje skot, tj. v hovězím mase a mléce. Ale neustálý pokles stavů prasat a drůbeže způsobil, že téměř polovinu vepřového masa a třetinu drůbežího masa dovážíme. Významnou složkou krmiv pro 105
drůbež a prasata jsou obiloviny. Obilovin máme nadbytek a vyvážíme je, místo toho abychom zvýšili vlastní výrobu vepřového a drůbežího masa.
Tab. 3
Rok
Vývoj stavů hospodářských zvířat v ČR v létech 2000 až 2013 v tis. ks
Skot celkem
Prasata
Drůbež
Ovce
Koně
2000
1582
3594
90
32043
26
2005
1397
2877
140
25374
21
2010
1349
1909
197
24838
30
2012
1353
1587
221
23265
34
86
44
246
73
131
Podíl % 2012/2000
Pramen: Statistická ročenka ČSÚ 2005 a 2013
Graf: Stavy hospodářských zvířat v tis. ks. ČR 2000 až 2013
Samostatná práce ve skupinách podle okresů. Plochy půdy v okrese Ve statistické ročence MS kraje vyhledejte plochy půdy za roky 2002 až 2012 za okres a sestavte tabulku a graf vývoje ploch půdy. Zhodnoťte změny, které v plochách půdy nastaly.
Navrhněte opatření, kterými by se omezily úbytky orné půdy.
Úkol
Úkol
Osevní plochy v okrese Ve statistické ročence MS kraje vyhledejte osevní plochy vybraných plodin za roky 2002 až 2012 za okres a sestavte tabulku a graf vývoje osevních ploch. Proveďte rozbor změn, které v osevních plochách vybraných plodin nastaly.
Úkol
Stavy hospodářských zvířat v okrese… Ve statistické ročence MS kraje vyhledejte stavy hospodářských zvířat za roky 2002 až 2012 za okres a sestavte tabulku a graf vývoje stavů hospodářských zvířat. Zhodnoťte změny, které ve stavech hospodářských zvířat nastaly.
Je vývoj stavu hospodářských zvířat v souladu s vývojem osevních ploch?
Úkol
Úkol
Vlastní poznatky o obhospodařování půdy v obci Je vývoj stavu hospodářských zvířat v souladu s vývojem osevních ploch?
Úkol
Jak je využívána půda ve vaší obci? Jak je využívána půda ve vaší obci? Vyskytují se ve vaší obci plochy neobdělané (neohospodařované) půdy? Zastavuje se orná půda?
107
Úkol
10. PRACOVNÍ
LISTY
S
ODBORNÝM
TEXTEM
V
ANGLICKÉM A ČESKÉM JAZYCE New worlds: nanotechnology and aguaponie The name of the module focuses on the core area, which is dedicated to the module. With regard to the new environment, in which a man using modern scientific methods penetrates (rainforests and the ocean floor) and gets completely new information, which further affects our life. In addition we are entering the "new environment" above mentioned, the man, in the 21 century, has thanks to the modern instrumental technique as well as another option: discovering the "new world" even in environments and materials known by new sophisticated techniques and technologies. Such new scientific instruments are nanotechnology, which will affect the life of a man in the 21 century. Yet there is a question mark in the name of the module. This sign symbolizes the fact that all of the conveniences that bring an unprecedented development of science and technology may be used or misused depending on what position we take to them. This modern paradigm is all the more important in the last few decades; we register the sharp increase in the human population. The continued existence of mankind will probably depend upon the relevant behaviours. Behaviour of Homo sapiens is not only against each other but also against nature, which is the part. Therefore, the text includes the passage about new agriculture, representing the progressive human activity to global ecosystems and food provision, setting out the paths of mankind. That is an important issue, evidenced by the fact that the main theme of this passage for the practical training of the students. Earth, our home planet is the living planet and the planet of lives. So far we have not seen anywhere else the human expressions, which does not exclude that life cannot exist elsewhere in the universe. Life on our planet originated 3.6 billion years ago. It has been develop depending on the geological development of Earth (long-term), i.e. on the processes the newly formed planet took place and changed, and both gradually, and abruptly (asteroid impact, etc.). When a solution to the question of the emergence and development of life coming into sharp dispute two approaches: a materialistic (evolutionary), and creationism. Today we have that the basic condition for the occurrence of the life of our type (i.e. carbon-based) is the presence of water in the liquid state. We know that the evolution of life has been gone after the time spiral from the simpler forms to highly organised ones. The fossils as witnesses of the past could convince us about it. To the reflection about the cause of significant biodiversity has contributed the knowledge of the composition and functions of the cell, the discovery of DNA and the genetic apparatus of living organisms and, recently, the closely watched issues of individual development (ontogeny) as a process of targeted and evolution as a process of historical and starting. Genetics explains a lot of previously unanswered questions and it is a promise for the future. In the global Earth ecosystem environment plays an important role the rainforests. There are an enormous amount of animal forms and vegetation, yet usually unlabeled. A man has been trying to understand the chemical composition of plants and the production of their compounds, which may be used for pharmaceutical and medical practice. Tropical rainforests can be profitably place to study the relationship between evolution and ontogeny. Already a
long time ago it is known features of this ecosystem as the "lungs of Earth". All of the researches show that the rainforest is extremely valuable ecosystem, which a man has not yet appreciated. Its biological devastation as a result of human predatory access may bring irreversible damages Therefore we welcome the initiative in the protection of this environment, led by the United Nations or other organizations through. A man has long ago understood the importance of the sea and oceans for our nutrition and the formation of the climate. Thanks to the application of modern technical equipment (submersible devices with the possibilities of sampling, TV or other direct and indirect imaging visual techniques, modern communications technology from ships and satellites, etc.) have been implemented on ocean floor many of tests, which have been a big surprise. It was about the discoveries of new organisms, and unexpected shapes of the surface of the seabed, and the findings of the new prospective sources of raw materials and the recent creation of the already known "fossil" of raw material types. Scientific research from the last time has enabled to map out the accumulation of metalliferous concretions, methane gas hydrate nodules, sulphide ores, bearings, deposits of precious metals, etc. It is all about the strategic raw material, about the right for future mining where a lot of advanced states aspire, including the Czech Republic. Community of organisms in the environment of hydro term is in relation to the origin of life on Earth. The study of the seabed has contributed significantly to the understanding of metabolism in the lithosphere. Nanotechnologies represent the use of scientific knowledge to the synthesis, manipulation and the use of materials in the size ranges between 1-100 nm, where is the emergence of new properties due to the small size. This is a modern technology that rapidly spread worldwide and is used in almost all spheres of human activity. These technologies are considered to be breaking and revolutionary, as it was the advent of the steam in the 19 century, and electricity in the mid-20 century and information technologies at the end of the 20 century. It is expected that in the course of the next 15 – 20 years nanotechnology will have a decisive impact on the global economy, bringing social and ethical issues. They may shape the new society of the 21 century. Discoveries in the field of nanotechnology, however, are more or less a perfect understanding and copying nature, which can create nanometre functional systems in both live and inanimate area and to open however the new "secrets" of nature and science to us. We live in a world that is rapidly changing and in which we have no certainty that what we have available today, we will have in the future. The population today rises, 7.3 billion now, in 2050 it is estimated to rise to 9.6 billion. Therefore, it is necessary to contemplate what mankind has for their livelihood available: the soil, water and other factors that affect food production: genetics and cultivation. We are witnessing a paradox: the population of developed countries, however, suffer from malnutrition. The problem also becomes overweight and obesity. A detailed analysis of food sovereignty in relation to the increase in human population shows that the necessary resources for the production are food, land, water and level of biological organisms, i.e., cultivated crops and animals. This implies a clear imperative to protect and care for land, which is not always happening. Water is becoming a strategic raw material. 109
Because agriculture consumes almost 70% of the water, we have been looking for efficient systems for gathering and usage of water and the efforts performed the water less demanding crops. It is used here for gene manipulation. The scientific knowledge of biology and mathematics in conjunction with computer technology has significantly affected the breeding of cattle. Current knowledge of science enables to build nutrition recommendations to reduce overweight and obesity. In the Czech Republic, it is primarily about providing enough fresh vegetables during the year and for a substantial increase in the production of fish. Enough fresh vegetables for the year are ensured with production in greenhouses with hydroponics. Fish farming can also be used in artificial tanks under the roof – the so-called aquaculture. According to the latest knowledge of science and technology, the cultivation of vegetables and fish farming is combined as aquaponics. In cattle breeding is focused on four basic groups of properties: milk production performance, meat performance, secondary functional properties and appearance. Aquaponics - Why Aquaponics? • • • • • • • • • • • • • • •
The best tasting home-grown vegetables! Organically grown produce in your own system No unnatural Herbicides, Pesticides or Fertilisers The freshest, cleanest vegetables possible Uses as little as 2% of the water normally needed Higher growth rates and yields No soil is needed Can be easily used in small, urban areas. Healthy, clean, home-grown fish for your plate No genetic manipulation of the fish Fish are a healthy source of protein Water quality is high, so the taste is high Water recirculation reduces pollution Local production reduces "food miles" Fish and vegetables are the healthiest diet.
What is Aquaponics?
The word Aquaponics comes from the joining of 'Aquaculture' and 'hydroponics' and whilst it shares certain attributes of both of these systems, it is in itself something far more developed and ultimately, unique from either of them. Aquaponic systems have three main components - Fish, Plants and Microbes. The microbes are a commonly overlooked part of an aquaponic system, but it is these that do the most important work in the nutrient cycle. Aquaponics uses no soil at all - but it can use either an alternative growing media such as clay pebbles, pumice stone, lava rock or gravel, or the plants can simply be grown in the nutrient rich waters coming from the fish tanks. Fish produce waste and ammonia - these are harmful for the fish in elevated quantities and decrease the quality of the water. In aquaponics, water from the fish tank is fed to a plant growbed where the billions of naturally occurring, beneficial micro-organisms break the ammonia down first into Nitrite and then into Nitrate. Nitrate and other nutrients are absorbed by the plants to assist in their growth and in turn, serve to clean the water. Solid waste will also be filtered out of the water by either the growbeds or some other mechanical process. Clean water is now returned to the fish tank increasing the water quality and providing the oxygenated water that the fish need. This is a natural and sustainable process that mimics an ecosystem and produces high quality food without any chemical inputs.
111
Aquaponics System Types
Nutrient Film Technique is a commonly used hydroponic method, but is not as common in aquaponic systems. In NFT systems, nutrient rich water is pumped down small enclosed gutters, the water flowing down the gutter is only a very thin film. Plants sit in small plastic cups allowing their roots to access the water and absorb the nutrients. NFT is only really suitable for certain types of plants such as leafy greens and herna.
Unfiltered water from the fish tanks will contain many particulates which will attach to the plant roots and will ultimately stop their ability to take up nutrients and oxygen. Deep Water Culture works on the idea of floating plants on top of the water allowing the roots to hang down into the nutrient-rich water. This can be done in a number of ways and this method is one of the more commonly practised commercial methods. DWC can be done by floating a foam raft on top of the fish tank, however a more common method is to grow the fish in a fish tank and pump the water through a filtration system and then into long channels where floating rafts filled with plants float on the water surface and extract the nutrients. The water must be filtered before it reaches the channels as particulates and solids in the water will clog up the root systems of the plants and will inhibit their ability to take up oxygen and nutrients. DWC is the most commonly used method in commercial aquaponic systems as it provides the versatility to grow a relatively wide variety of leafy plants and herbs and can be set up relatively inexpensively.
Fish & Plants for Aquaponics We are happy to offer advice on the suitability of various plants for your system and on which fish would be best suited to your particular environment, weather conditions… and tastes! These decisions can have a real effect on the success of your system. Listed below are various examples of the plants that are grown in aquaponics systems, as well as the fish that most people choose. The right choice of fish is very important • • •
The correct feed and stocking densities are important Water temperature and quality is very important The types of plants that can be cultivated varies
Examples of Aquaponic Crops
113
Výkladový slovník pojmů Anglicky
Česky
aquaponics
akvaponie
aquaculture barramundi
chov ryb nádržích typ okouna
basil
bazalka
bluegill
slunečnice velkoploutvá
bok cho
typ čínského zelí
cabbage
zelí
carp
kapr
catfish
sumec
crayfish
rak
cucumber
okurka
fertilisers
hnojiva
goldfish
zlatá rybka
herbicides
herbicidy - prostředky k odstranění nežádoucích rostlin bylinky
herbs hydroponics
Slovník pojmů
ve
vodních
koi
hydroponie -pěstování rostlin ve vodním roztoku japonský kapr
lettuce
hlávkový salát
melon
meloun
mint
máta
murray cod
druh tresky
peppers and chillies
paprika a chilli papričky
perch
okoun
pesticides
pesticidy
tilapia
tilápie (terčovec)
trout
pstruh
watercress
řeřicha
Nové světy: nanotechnologie a akvaponie Název modulu se zaměřuje na jádrovou oblast, která je věnována tomuto modulu. S přihlédnutím k novému prostředí, ve kterém se mísí přístup dnešního člověka využívajícího moderní vědecké metody (deštné pralesy a oceánské dno) a kde dostáváme stále nové informace, které následně ovlivňují naše životy. Navíc vstupujeme do „nového životního prostředí“, kde se ve 21. století díky novým vědeckým technologiím otevírají další možnosti pro lidstvo: objevování „nových světů“ dokonce i v rámci známých materiálů novými sofistikovanými metodami a technologiemi. Jednou z takovýchto nových technologií jsou například „nanotechnologie“, které budou bezesporu ovlivňovat život lidstva ve 21. století. Nyní zde však v rámci tohoto modulu vyvstává otázka. A to taková, že všechny výhody, které přináší nebývalý rozvoj vědy a techniky, by mohly být také jednoduše zneužity. Tento moderní vzorec je velice důležitý v posledních několika dekádách; zaznamenáváme prudký nárůst lidské populace. Pokračování lidské existence bude pravděpodobně záležet na způsobu, jakým se lidstvo bude chovat. Lidé se mohou chovat špatně jak k sobě samotným, tak také k přírodě, která je součástí lidského života. Proto následující text obsahuje také pasáž o novém způsobu zemědělství, které reprezentuje progresivní lidské aktivity zaměřené na ekosystémy a potravinové zásoby a které nastavuje nové cesty lidskému pokolení. Země, naše planeta je planeta, kde žijeme. Doposud lidstvo nezaznamenalo známky lidské existence kdekoli jinde v našem vesmíru, což však neznamená, že život v nějaké podobě se kdekoli ve vesmíru může nacházet. Život na planetě Zemi vznikl před 3,6 bilióny let. Vyvinul se v závislosti na geologickém vývoji Země (z dlouhodobého hlediska), např. na základě procesů, které pozměnily nově zformovanou planetu a to jak změny, které nastaly postupně, tak změny, které se udály nárazovitě (vliv asteroidů, atd.). Otázku vzniku a vývoje života na Zemi provázely ostré disputace/diskuze, ze kterých se následně vyvinuly dva základní přístupy vývoji života: materialistický přístup (neboli evoluční) a kreacionistický přístup (život na Zemi byl stvořen po zásahu vyšší/Boží moci). Dnes již víme, že základní podmínkou vzniku život našeho typu (založeného na uhlíku) je výskyt vody v kapalném stavu. Také víme, že evoluce postupovala v časové spirále, kde se z nižších druhů postupně vyvíjely druhy vyšší. Fosílie nás o tom mohou zpravit jako němí svědkové těchto postupných změn. Jako odraz příčiny značné biodiverzity přispěla znalost složení a funkcí buňky, objevení DNA a genetická výbava žijících organismů a v nedávné době vysoce diskutované téma individuálního rozvoje (ontogeneze) jako proces cílový a evoluce jako proces historický a počáteční. Genetika vysvětluje obecně spoustu dříve nezodpovězených otázek a je také velkou nadějí do budoucna. V rámci celkového ekosystému planety Země, důležitou roli hrají deštné pralesy. Žijí zde nesčetné zvířecí druhy a vyskytují se zde nejrůznější druhy flóry, přičemž zvířecí i rostlinné druhy ještě dozajista nebyly objeveny a popsány ve všech případech. Člověk se snaží porozumět chemickému složení rostlin a produkci jejich sloučenin, které by mohly být využity ve farmaceutickém průmyslu a v medicíně. Tropický deštný les může představovat místo prospěšné pro studium vztahů mezi evolucí a ontogenezí. Již dlouhou dobu se deštným pralesům přezdívá ekosystém= "plíce Země". Všichni výzkumníci se shodují, že deštný prales představuje extrémně hodnotný ekosystém, který člověk ještě nedokázal docenit. Biologická 115
devastace pralesa jako výsledek lidské dravosti může bohužel přinést nezvratné škody. Proto jsou vítány iniciativy na ochranu tohoto prostředí, vedené Společenstvím národů nebo dalšími organizacemi. Důležitost moře a oceánu z hlediska nutričního i podnebného dokázal člověk pochopit už dávno v minulosti. Díky aplikacím moderních technologických zařízení (ponorná zařízení s možností sbírání vzorků), TV a další přímá i nepřímá zařízení vizuální techniky, moderní komunikační technologie jako lodě a satelity, atd.) bylo provedeno množství průzkumů mořského dna a výsledky byly opravdu překvapivé. Šlo o objevení nových organismů, nepředvídané tvary povrhu mořského dna a zjištění nalezišť nových potenciálních surovin a nedávno zjištěná možnost využívání fosilních paliv a jejich zásob. Vědecký výzkum v poslední době umožnil zmapovat akumulaci rudonosného zhutňování, noduly metanových hydrátů, sulfidické rudy, naleziště vzácných kovů atd. Je to vše otázka tzv. strategických surovin a plánování těžby do budoucna, přičemž těžební aspirace mají mnohé státy, včetně České republiky. Společenství organismů spojených s hydrologickým prostředím je zároveň spojeno také se vznikem života na Zemi vůbec. Studium mořského dna významně přispělo k pochopení metabolických funkcí litosféry. Nanotechnologie representují využití vědeckých znalostí v rámci syntézy, manipulace a použití materiálů v rozmezí velikosti mezi 1-100 nm, kde výhoda využití spočívá právě v malých rozměrech objektů. Tato moderní technologie se rapidně šíří po celém světě a je využívána téměř ve všech sférách lidské působnosti. Tyto technologie jsou považovány za zlomové a revoluční, podobně jako tomu bylo například na konci 20. století při objevení páry nebo v polovině 20. století, kdy byla objevena elektřina a následně třeba na konci minulého století, kdy došlo k rozvoji informačních technologií. Očekává se, že v průběhu následujících 15-20 let bude mít nanotechnologie zásadní vliv na světovou ekonomiku, avšak zároveň bude také přinášet nová společenské a etické otázky. Bude tak formována nová společnost 21. století. Objevy na poli nanotechnologií lze chápat jako perfektní porozumění a kopírování přírody, přičemž lze vytvořit nanometricky přesný funkční systém na bázi živé nebo neživé oblasti a otevřít tak další neobjevené světy přírody a vědy kolem nás. Žijeme ve světě, který se rychle mění a ve kterém lidstvo nemá prakticky žádnou jistotu, že to co máme nyní, budeme mít i nadále. Populace neustále roste, k dnešku je to 7.3 biliónů, v roce 2050 je populace odhadována na 9.6 biliónů obyvatel. Proto je velice důležité zvažovat, co má lidstvo ve svém životním prostředí k dispozici: půdu, vodu a další faktory, které ovlivňují produkci potravin - genetiku a kultivaci (pěstování plodin). Jsme v podstatě svědky paradoxu: populace rozvojových zemí trpí podvýživou, zatímco v zemích vyspělých vládne přebytek. Problémem vyspělých zemí je pak také nadváha a obezita. Detailní analýza vztahu potravin a zvyšujícího se počtu lidské populace ukazuje, že důležité zdroje pro produkci jsou potraviny, půda, voda a stupeň biologických organismů, tj. šlechtění plodin a zvířat. Tento fakt stanovuje v celku jasný imperativ - chránit a starat se o půdu, což se ne vždy opravdu děje. Strategickou surovinou se stává také voda. Protože zemědělství spotřebuje téměř 70% vody, byly hledány efektivní systémy získávání a využívání vody a zároveň snahy upřednostňovat plodiny, které vyžadují menší přísun vody. Pracuje se tak např. s genetikou rostlin. Vědecké poznatky z oblasti biologie a matematiky ve spojení s
počítačovými technologiemi výrazně ovlivnily chování dobytka. Současné poznatky dále také umožňují vytvářet nutriční doporučení na redukci váhy a obezity. V České republice to znamená především dostatečný přísun čerstvé zeleniny během celého roku a také celkové navýšení konzumace ryb. Dostatečný přísun zeleniny po celý rok zajišťuje produkce ze skleníků založených na systému hydroponie. Chov ryb se zase může uskutečňovat v umělých zastřešených nádržích, které se nazývají "akvakultura". Podle nejnovějších vědních a technologických poznatků, pěstování zeleniny a chov ryb je kombinován jako tzv. systém akvaponie. V rámci chovu dobytka je potom pozornost zaměřena na čtyři základní skupiny faktorů: produkce mléka, produkce masa, druhotné faktory a podoba.
Akvaponie - proč akvaponie? • • • • • • • • • • • • • • •
Nejlepší domácky vypěstovaná zelenina! Organicky vypěstovaná produkce přímo na vlastní zahradě. Žádné nepřirozené herbicidy, pesticidy ani hnojiva. Nejčerstvější a nejčistší možná zelenina. Jen 2% spotřeba vody oproti klasickému pěstování. Vyšší výnosy. Není potřeba půda. Může bát výborně využito i na malých, městských prostorách. Zdravé, čisté a po domácku odchované ryby na váš talíř. Žádné geneticky upravované ryby. Ryby jsou bohaté na proteiny. Kvalita vody je vysoká, tudíž je i chuť potravin je vynikající. Recirkulace vody snižuje znečištění prostředí. Místní produkce znamená potraviny, které se nemusejí dovážet! Ryby a zelenina jsou ta nejzdravější strava vůbec!
117
Co je to akvaponie?
Akvaponie vzniká spojením akvakultury a hydroponie a protože obě tato prostředí sdílejí jisté shodné atributy - akvaponie dohromady tvoří sofistikovaný a naprosto jedinečný přírodní systém. Systém akvaponie je složen ze tří základních prvků - ryby, rostliny a mikroby. Mikroby jsou povšechně ignorovaná součást akvaponických systémů, ale jsou to právě ony, které tvoří důležitou součást nutričního cyklu. Akvaponie nepoužívá žádnou půdu - ale může využívat buď alternativní prostředí jako je jíl, pemza, oblázky, lávové kameny nebo štěrk nebo rostliny mohou být jednoduše pěstovány ve vodě bohaté na živiny, která se nachází v rybích kontejnerech. Odpad z chovu ryb a amoniak - to jsou škodlivé elementy pro ryby chované ve velkém množství a zároveň také rychle dochází k poklesu kvality vody. V systému akvaponie, voda z rybích nádrží je použita na zalévání zeleninových záhonů, kde se biliony přirozeně se vyskytujících mikroorganismů postarají o rozklad amoniaku nejprve do stadia dusitanu a posléze dusičnanu. Dusičnany a další živiny jsou absorbovány rostlinami a následně přispívají k jejich růstu zároveň tak dochází i k pročišťování vody. Tuhý odpad bude následně filtrován z vody, a to buď pomocí záhonů, nebo jiným mechanickým procesem. Čistá voda je pak znovu vrácena rybám do nádrží, aby měly ryby vodu neustále kvalitní a také dobře okysličenou. Výše popsaný systém představuje přírodní a trvale udržitelný proces, který nahrazuje ekosystém a produkuje kvalitní potraviny bez jakýchkoli chemických zásahů.
Typy akvaponických systémů
Technika výživné vrstvy (Nutrient Film Technique/NFT) je velice rozšířená metoda hydroponických systémů, ale není tak rozšířená jako systém akvaponický. V rámci NFT výživná voda je přečerpávána systémem uzavřených žlabů, ale vodní vrstva je jen velice tenká. Rostliny jsou zasazeny do malých plastových kelímků umožňujících kořínkům dobrý přístup k vodní vrstvě a k živinám. NFT je vhodné jen pro určité typy rostlin jako například listová zelenina nebo bylinky.
Nefiltrovaná voda z rybích tanků bude obsahovat mnoho částeček, které se napojí na kořeny rostlin a zamezí tak okamžitě jejich schopnost přijímat živiny a kyslík. Kultura hluboké vody (Deep Water Culture/DWC) pracuje na myšlence "plovoucích rostlin" na povrchu vody umožňující kořenům viset volně dolů do nutričně bohaté vody. Tohoto lze dosáhnout několika způsoby a tato metoda je jednou z častěji praktikovaných komerčních metod. Metoda DWC může být provedena pomocí plujícího pěnového člunu na povrchu rybího kontejneru; nicméně četnější metodou je metoda, kdy ryby jsou chovány zvlášť v nádrži a tato voda je pak přečerpávána filtračním systémem do dlouhých tunelů, kde se nacházejí plující čluny naplněné rostlinami, které "plavou" na vodní hladině a extrahují si z vody živiny. Voda musí být přefiltrovaná, než se dostane k tunelům, protože pevné částice ve vodě by mohly ucpat kořenový systém rostlin a utlumit tak jejich schopnost přijímat kyslík a živiny. DWC představuje dnes nejvíce rozšířenou komerční akvaponickou metodu, protože poskytuje všestrannost pro pěstování relativně široké škály listnaté zeleniny a bylinek a tento lze systém lze zároveň nainstalovat poměrně levně.
119
Ryby & rostliny vhodné pro akvaponii Je nám potěšením poskytnout rady, které rostliny jsou vhodné pro pěstování ve vlastním akvaponickém systému a zároveň které druhy ryb by se nejlépe hodily do konkrétních prostředí, podnebných podmínek a v nemalé řadě také doporučit, co chutná nejlépe! Rozhodnutí, které druhy se stanou majoritní ve vašem systému, je velice důležité a předvídá následnou úspěšnost při realizaci. Níže jsou v seznamu uvedeny rostliny vhodné pro akvaponické pěstování a také druhy ryb, které jsou oblíbené u většiny nadšených rybích konzumentů. Správný výběr druhů ryb je velice důležitý: • • • Příklady:
Správné krmivo a množství ryb na danou nádrž je velice důležité. Teplota vody a kvalita vody je také velice důležitá. Typy rostlin, které jsou pěstovány, se mohou různit.
ČÁST C METODICKÁ PŘÍRUČKA Metodická příručka obsahuje konkrétní případy jak pracovat s pracovními aktivitami s využitím relevantních přístupů a pedagogických obsahových metod. Níže uvedený text bude pro jednotlivá témata a studenty či žáky jednotlivých typů škol vždy dopracován ve spolupráci s pedagogy s cílem zaujmout mladého člověka o nabízenou tématiku a nasměrovat ho na práci samostatnou, ve které se bude muset rozhodovat jak splnit předepsané úkoly. Kolektivní diskuse k řešeným úkolům za přítomnosti pedagoga pomůže studentovi verifikovat své představy a posílí jeho sebevědomí, že úkoly umí řešit a je schopen a ochoten za tímto účelem vynaložit odpovídající úsilí. Úkolem pedagoga bude upozornit studenta na skutečnost, že při řešení úkoly se vždy objeví předem nepředvídané otázky a okolnosti, které je nutno pro zvládnutí úlohy řešit a že tato cesta je cestou za poznáním a osvojením si nově získaných informací na trvalo. Je to rovněž cesta za poznáním vědy a prostřednictvím ní i za poznáním přírody, do které jako lidé patříme.
Rajská zahrada nebo zelené peklo? Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o významu tropického deštného pralesa z hlediska trvalého udržitelného rozvoje. Rozvoj v argumentačních a presentačních dovednostech včetně vhodného strukturování informací. Cílová skupina: žáci 1. stupně základních škol v rámci předmětu: přírodověda vlastivěda, … Rozsah: 2 až 4 hodiny Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo menších pracovních skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí složenou z učitelů a dvou vybraných spolužáků, možnost přizvat externího experta.
Pokyny pro učitele
Pomůcky: slepá mapa, papír A2, tužka, pastelky
Co víš o deštných pralesech Při hodnocení odpovědí na 5 výše uvedených otázek ze strany žáků je nutno mít na paměti předchozí stručné seznámení žáků s touto problematikou ze strany učitele v rozsahu podobném jako reálie pod názvem „Rajská zahrada nebo Zelené peklo“. Je navíc i dostatek zdrojů, které mohou žákům přiblížit prostředí deštného pralesa formou obrázků, fotografií, grafů či autentických příběhů (TV, internet, filmy apod.). Důležité nejsou detaily a jejich paměťové osvojování, ale pochopení principu existence těchto originálních ekosystémů, které se dlouhodobě vyvíjely na naší planetě a aniž si to mnohdy uvědomujeme, ovlivňují i samotnou naši existenci, geograficky vzdálenou od jejich současné lokalizace. Smyslem projektu je mj. upozornit všechny zúčastněné, ale zejména cílové skupiny, na holistické (celostní) chápání dynamiky největšího experimentu všech dob – vzniku života na Zemi. A v tomto smyslu je nutno začít již od žáků 1. stupně základních škol. Tropické deštné pralesy nám k tomu nabízí bezpočet vzorových forem a příkladů. 121
Odpověď na otázku č. 1: Je největší zásobárnou různorodých forem rostlin i živočichů, žijících na určitém omezeném území. Mnohé z těchto forem nebyly dosud objeveny a popsány. Řada rostlin i živočichů obsahuje látky, jež mohou být důležitými složkami nových léků proti zákeřným chorobám člověka. Tropický deštný prales funguje jako „plíce“ naší planety a ovlivňuje klimatické poměry na Zemi. Tropický deštný prales obsahuje cenné organické i anorganické suroviny, se kterými je nutno zodpovědně hospodařit. Odpověď na otázku č. 2: Jaguár, tygr, mravenečník, opice, netopýři, plazi, žáby, motýli, hmyz, ještěrky, pavouci, ptáci: tukani, kolibříci, orli. Odpověď na otázku č. 3: Člověk, který bez předchozí přípravy vstupuje do tropického deštného pralesa, musí čelit mnoha nebezpečím: ztrátě orientace ve spodní části rostlinného porostu, napadení hmyzem či bez obratlovými živočichy, které mnohdy nelze rozeznat od okolního prostředí, kterému se velmi dobře tvarově i barevně přizpůsobili (mimikry), listy a trny rostlin mají mnohdy žahavý účinek na kůži člověka a po doteku s nimi může otékat kontaktovaná část těla, půda, po které se do pralesa proniká je vlastně bažinou a nemá většinou pevný podklad, požití neznámých plodů či semen může mít pro člověka nepříjemný i jedovatý účinek. Je nutno dát si pozor zejména na hady, kteří jsou někdy malých rozměrů, splývají s okolním terénem a mohou být jedovatí. Navíc je v tomto prostředí vždy velmi vlhko a mnohdy horko. Nutno proto použít speciální oblečení. Odpověď na otázku č. 4: a) Kácení a vypalování původního rostlinného krytu z důvodu získání menšího rozsahu půdy, na kterém se mají pěstovat banány, ananasy, papáje a jiné tropické ovoce. Je to nesmyslná aktivita, neboť úrodnost takto získané půdy je relativně nízká a s časem klesá díky erosi. b) Těžba drahých a cenných dřevin si vyžaduje vybudování příjezdových cest, stejně jako těžba některých vzácných nerostných surovin v pralese. Činí tak nadnárodní společnosti, které se tak obohacují o peníze. c) Odchyt některých zvířat pro maso a jejich prodej do měst (opice), odchyt zvířat do zoologických zahrad. Jedná se o nebezpečný a „černý“ obchod. Může přenášet i nákazy ze zvířat na lidi. Odpověď na otázku č. 5: Doporučujeme zejména speciální programy v televizi, vysílané v „rozumnou“ dobu a mající výchovný charakter na základě autentického prostředí a zajímavých příběhů. Jde o programy na ČT2 a stanice ZOOM, tj. pořady, které nevyžadují speciální vybavení televizních přijímačů.
Tropické
deštné
pralesy
a
jejich
význam
v globálním
ekosystému Země Vzdělávací cíl: Rozvoj znalostí o významu tropického deštného pralesa z hlediska trvalého udržitelného rozvoje. Rozvoj v argumentačních a presentačních dovednostech včetně vhodného strukturování informací. Cílová skupina: žáci 2. stupně základních škol v rámci předmětu: přírodověda, zeměpis, … Rozsah: 2 až 4 hodiny Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo menších pracovních skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí složenou z učitelů a dvou vybraných spolužáků, možnost přizvat externího experta.
Pokyny pro učitele
Pomůcky: slepá mapa, papír A2, tužka, pastelky
Podle počtu žáků ve třídě se doporučuje rozdělit žáky do skupinek. Proberte se žáky základní charakteristiky oblastí deštných tropických pralesů s odkazem na odstavec MOTIVACE. Sdělte žákům, jaké informační materiály má pro procvičování tohoto tématu k dispozici škola a ve kterých dalších médiích (TV – ČT2, ZOOM apod.), nebo časopisech, by je mohli žáci nalézt. Dle časových možností navštivte ZOO v Ostravě a porovnejte životní podmínky zvířat s podmínkami jejich života v přírodním prostředí. Zamýšlejte se společně se žáky, jakou úlohu plní v současné době zoologické zahrady. S žáky rovněž diskutujte o možnosti vidět některé rostliny tropického deštného pralesa v našich „uměle udržovaných“ podmínkách a kde se ony nacházejí. Doporučuje se alespoň stručně žáky seznámit s projekty „Biosféra I., Biosféra II“, které měly za úkol experimentálně vytvořit v malém měřítku komplexní ekosystém v uzavřeném prostředí, absolutně separované od jeho zevnějšku, který by autonomně stabilně fungoval. Důvody, které vedly k těmto experimentům a jejich negativní výsledky nás vedou k pokoře a péči o přírodní formy rostlinné či živočišné, které fungují v prostředí křehké ekologické rovnováhy. Tato fakta by měli žáci vědět na startu svého života. V závěrečné části plnění úkolů zhodnoťte práci všech skupinek, dosažené výsledky a poznatky.
123
Nadváha a obezita, výživová doporučení Vzdělávací cíl: Z textu relevantní části modulu a výukového bloku a před samotným zpracováním jednotlivých úloh je zřejmé, že náš životní styl neodpovídá doporučením Světové zdravotnické organizace. Úlohy v pracovních listech jsou směřovány proto na zajišťování nadváhy a obezity jednoduchými zjištěními, kterými lze prokázat jak „žijeme zdravě“ v rodině a u spolužáků. Totéž platí pro případ sledování denní spotřeby potravin a její skladby. Zjištěné hodnoty lze pozorovat s tabulkou výživových doporučení. Že jde o problematiku nejen zajímavou, mnohdy co do výsledků překvapivou, ale u významnou, neboť ním ukazuje možnosti upravit náš životní styl, abychom dosáhli požadované kvality života. Cílová skupina: studenti gymnázií a středních odborných škol v rámci předmětů … Rozsah: 8 až 10 hodin Doporučená metoda: samostatná práce ve skupinkách, zpracování výsledků a jejich prezentace před třídou a učitelem. Možná doporučená interaktivní diskuse po ukončení prezentace.
Pokyny pro učitele
Pomůcky: pracovní list, papír, tužka, PC, Excel, internet. Seznam studentů ve třídě Jméno: Datum:
Třída:
Před zahájením plněním jednotlivých úkolů nutno seznámit se s textem modulu, respektive jeho relevantní části, týkající se tematického okruhu, z něhož byly úkoly z procvičování generovány. Stejně tak je nutno kolektivně před celou třídou probrat text A) Výukový blok před samostatným zpracováním. Nutno vysvětlení jak pro řešení použít grafy Kategorie tělesné hmotnosti pro mladistvé, BMI pro dívky a pro chlapce. Pro vyplnění tabulek u úkolu č. 1 a č. 2 (samostatné zpracování, část B) nutno pochopit tabulku potravinové pyramidy (česká verze) a pojem „porce“. Doporučuje se vysvětlení učitelem před celou třídou. K výsledkům získaným z plnění jednotlivých úkolů za jednotlivce, skupiny a celou třídu zorganizujte odborný seminář / workshop, jež může přinést i nutná nápravná opatření. Diskutujte vztah mezi pohybem studentů a indexem BMI. Může škola ovlivnit zjištěné výsledky?
Půda – nejcennější bohatství pro lidi Vzdělávací cíl: Půda tvoří životní prostor pro rostliny a půdní organismy, zvířata a člověka. Je základem života, neboť přes ní probíhá koloběh látek, zejména vody a živin. Půda proto pro nás představuje přírodní zdroj. Proto je naší povinností úrodnou půdu pečlivě obhospodařovat a chránit. V ČR je obhospodařované půdy neustále ubývá. Pečlivě půdu obhospodařovat znamená také pěstovat takové plodiny, které přinesou co nejvíce výživových látek a čerstvých potravin pro lidi i pro chovná hospodářská zvířata. Tyto výše uvedené zásady musíme mít na vědomí, chceme-li našim dětem odkázat podmínky kvalitního života. Musí se stát motivací našich aktivit i s ohledem, že lidstvo roste, ale rozsah úrodné půdy nikoliv. A navíc se musíme vypořádat s problémem globální klimatické změny.
Pokyny Cílová skupina: studenti gymnázií a středních odborných škol v rámci předmětů pro učitele … Rozsah: 8 až 10 hodin Doporučená metoda: samostatná práce ve skupinkách, zpracování výsledků a jejich prezentace před třídou a učitelem. Doporučuje se interaktivní diskuse k tématu (jednotlivým úkolům) po ukončení prezentace. Pomůcky: pracovní list, papír, tužka, PC, excel, internet. Seznam studentů ve třídě Jméno: Datum:
Třída:
Před zahájením plněním jednotlivých úkolů nutno seznámit se s textem modulu, a s textem „Výukový blok před samotným zpracováním“, který je koncipován jako pomůcka pro plnění jednotlivých úkolů. Úkoly k samostatné práci ve skupinách jsou koncipované tak, aby student byl schopen získat relevantní data (statistická ročenka kraje), pracovat s nimi a poté zhodnotit změny, ke kterým v dané oblasti a tématu dochází. Student je nucen na zjištěné změny reagovat vlastním názorem a zamyslet se na doporučeních, vedoucích ke zlepšení analyzovaného stavu. K výsledkům, získaných z plnění jednotlivých úkolů za jednotlivce, skupiny a celou třídu zorganizujte odborný seminář / workshop, na kterém dojde k výměně názorů a doporučením, jež mohou být zaslány relevantním zodpovědným osobnostem veřejné či státní správy. Je možno rovněž vyhlásit soutěž o nevýznamnější řešení dané problematiky a před komisi odborníků účastníky dle možností ocenit.
125
