A bioszféra kialakulása
Ökológia előadás BME-ELTE biomérnök, környezetmérnök szakok 2007 Összeállította: Kalapos Tibor
• Bioszféra: a biológiai szerveződés legmagasabb szintje, valamennyi földi életközösség együttese • A litoszféra és atmoszféra határfelületénű • Változás és viszonylagos homeosztázis • visszacsatolásos szabályozó mechanizmusok
• • • • • • • •
A Föld kialakulása Világegyetem kora: 12-14 Mrd év, Napunk 5 Mrd éves A Föld kb. 4,5-4,6 Milliárd évvel ezelőtt keletkezett 3,8 Mrd évig számos becsapódás, izzó gömb légkör: vízgőz, CO2, CO és N2 Hádész kor: 4,6 – 3,8 Mrd év (az élet nélküli Föld) túl forró a folyékony vízhez.
Földünk holdjának keletkezése
• 3,8 Mrd év: a becsapódások megszűntével a bolygó folyamatosan hült • Halovány Nap Paradoxon: a fiatal nap 30%-kal alacsonyabb sugárzású • mai üvegházgáz koncentrációnál fagyott • a mainál 103-104-szer magasabb [CO2] • fokozódú napsugárzás Æ mégsem forrósodik a Föld • szilikátok Æ karbonátok: a C temetődik • H2O + CO2 = H2CO3 • H2CO3 + CaSiO3 = CaCO3 + H2SiO3 ; H2CO3 + MgSiO3 = MgCO3 + H2SiO3
• a hőmérséklet emelkedésével fokozódik
Az élet születése
• • • •
kb. 3,8 Mrd éve tengervízben, min. 10m-es vízoszlop alatt nem véd ózonpajzs. erős UV sugárzás Az első szervezetek kemoszintetizálók – redukált szervetlen vegyületek (pl. H2S) oxidálása
• A fotoszintézis hamar megjelent: – a Nap sugárzó energiája jelentős energaforrás – több alternatív mód, nem az O2 termelő az első
Mélytengeri „füstölők”
A legkorábbi élőlény fosszília: 3,5 Mrd éves baktériumok
• O2-termelő (aerob oxigenikus) fotoszintézis a leghatékonyabb • CO2 + 2H2O -- fény Æ (CH2O) + O2 + H2O – a szénhidrátokban tárolt kémiai energiához a fogyasztó szervezeteknek lebontó anyagcserével kellett rendelkezniük • először anaerob fermentáció útján, hiszen O2 nem állt kellő mennyiségben rendelkezésre a redukáló légkörben; hatékonysága mérsékelt • a légkör oxidatívvá válásával az aerob respiráció (biológiai oxidáció) jelenik meg; egy nagyságrenddel hatékonyabb a fermentációnál;
– Az elhalt szervezetek jelentős része a tengerfenékre ülepszik ki, ezzel a bennük kötött C hosszú időre kivonódik a körforgásból. Æ A fotoszintézis így egy második mechanizmus (a szilikátos kőzetek mállása mellett) a légkörből a CO2 kivonására.
• Oxidáló légkör kialakulása – O2-termelő fotoszintézissel elsősorban a kékbaktériumok (cianobaktériumok) • Az élő szervezetek működését korlátozó másik jelentős elem a N lehetett: a N2-kötés mechanizmusának evolúciója kb. 2,5 Mrd évvel ezelőtt (cianobaktériumok) • Az élő szervezetek anyagcseréje anaerob környezetben alakult ki, az agresszív oxigén (oxidáció!) egyben megterhelést (stressz) is jelentett számukra, melyhez alkalmazkodniuk kellett. Így pl. a N2-kötést katalizáló nitrogenáz enzim csakis anaerob körülmények között működik, a fotoszintetizáló sejtekben viszont a vízbontás eredményeként O2 termelődik Æ megoldás: színtelen heterociszták (nem fotoszintetizálnak) anaerob belvilággal végzik a nitrogénkötést, a többi kloroplasztiszt tartalmazó sejt fotoszintetizál.
Cyanobacteria • egysejtűek vagy több sejt nyálkakolóniákban,
Chroococcus
Merismopedia
Microcystis
Cyanobacteria fonalasak, heterociszták, homogóniumképzés, akineták
Oscillatoria Anabaena
Spirulina Nostoc
Cyanobacteria
Evolúciós történet • 2.5 milliárd éves múlt; • Szélesen elterjedtek a Proterozoikumban – 2500-750 Mév előtt: „a kékbaktériumok kora”; – később az eukarióta és soksejtű szervezetek vették át a vezető szerepet;
• A Cyanobacteria az első valódi algák: – oxigéntermelő fotoszintézist folytató, legfeljebb telepes szerveződésű vízi (vagy nedves élőhelyhez kötődő) szervezetek.
Cyanobacteria
Fontosságuk 1)
!!!
Az első szervezetek, amelyek mindkét fotokémiai rendszerrel (PSII és PSI) rendelkeznek (akárcsak a többi növény) és fotoszintézisük O2 felszabadulással jár (H2O az e- donor).
ÆA Föld oxidatív légkörének kialakítása!! - biológiai oxidáció a soksejtű eukarióta szervezetek anyagcseréjének magas energiaigényét csak az oxigénes légzés biztosítja, az anaerob erjedés nem!
Æ Ózonpajzs a légkör külső határán, nélküle a felszínt elérő roncsoló UV sugárzás miatt csak 10 m vastag vízoszlop alatt lehet élet!
Cyanobacteria
Fontosságuk
!!!
2) légköri N2 megkötése: számos kékalga képes rá: a N felvehető formává alakítása! JELENTŐS, hiszen a légköri N2 – bár bőséges nem felvehető a legtöbb előlény számára (mert nehéz a 3-as kötés felbontása) A bioszféra termőképességét nagyban növelték!
N
N
A legidősebb fosszíliák! • egy élőlénycsoport óriási kőzetképzése • 2.5 milliárd éves kékbaktérium maradványok • sztromatolit – sekélytengerekben kékalga bevonat nyálkaburkában CaCO3 kicsapódás, – kiegészíti a tengeri finom szediment kiülepedése – napi ritmusú növekedés, heliotropizmus, – „kőpárnák” ma is képződnek trópusi sekélytengerben, – fosszilis sztromatolit telepek hatalmas „kőzettömböket” alkotnak.
Sztromatolit telep apálykor– Cápa Öböl, Ny-Ausztrália
Az eukarióta sejt kialakulása: endoszimbionta organellumok
Az eukarióta sejt kialakulásának lépései: 1. 2. 3.
4.
Kialakul egy anaerob (legújabb elmélet szerint fakultatív aerob), sejtfalát vesztett, fagocitálni képes amőboid előeukarióta; Bekebelez egy aerob anyagcserére képes prokariótát, amit nem emészt meg, hanem mitokondriummá válva a sejt energiatermelő organelluma lesz (kb. 2 millárd éve). Az ostor kialakulása (két felfogás: a) spirohéta szerű prokarióta endoszimbiózisával (pl. Margulis); b) önszerveződés útján (pl. Cavalier-Smith), kb. 1.5 milliárd éve. Az immár kétostros protozoa bekebelez egy fotoszintetizáló kékbaktériumot Æ kloroplasztisz. Ez a lépés csak egyszer az evolúció során, a sokféle kloroplasztisz további másodlagos szimbiogenezis eredménye. (kb. 1 milliárd éve).
• Az élet szárazföldre lép kb. 450 Méve • Összetett szárazföldi növénytakaró, karbon kori dús erdők: 300 Méve • Az élővilág evolúciója nem egyenletes: nagy kihalások
Tömeges kihalások
