PALEOEKOLOGIJA 1
PALEOEKOLOGIJA
1
Definicija
Grana paleontologije/biologije koja proučava vezu između organizama geološke prošlosti i okoliša u kojem su živjeli
ili
Grana ekologije koja proučava ekologiju geološke prošlosti
2
Porijeklo naziva: grč. Palaeo = staro grč. Oikos = dom, grč. Logos = znanost
Znanost o okolišima geološke prošlosti.
Paleookoliše analizira i definira pomoću ostataka organizama koji su živjeli u njima.
3
Eksperimentalne znanosti – neovisne o vremenu zbivanja
Proces
Odgovor
Posljedica Promatranje
Povijesna znanost – vrijeme ima ključnu ulogu u procesima
Promatranje Tvrdnja
Geološko vrijeme
4
Metode rada
Kod rješavanja problema slijedimo korake kako bi izbjegli gubljenje vremena. A koraci su slijedeći:
1. Definirati ________ (istraživanje ili promatranje)
2. Definirati ____________ (objašnjenje promatranja i koje možemo provjeriti nekim pokusom,)
3. _________ hipoteze (uključuje i mjerenja neke varijable)
4. Analize _________ (tablično i grafičko prikazivanje rezultata)
5. Pisanje _____________ (ako je potrebno vraćamo se na korak 2)
5
Što istražuje paleoekologija?
Fosil - pojam je uveo G. Agricola (1495-1555)- fossilis (prošlo vrijeme glagola fodore) što znači “iskopati”- ostaci ili tragovi organizama koji su nekad
živjeli- sačuvani na prirodan način- općenito > 10,000 godina stari- podudara se s krajem Pleistocena i Ledenog doba- zato što je malo promjena organizama u zadnjih 10,000 godina.
6
Fosili
Što su fosili?
Morfološka paleontologija
Kad je organizam živio? Stratigrafija
Tko su bili preci organizma, a tko “potomci”?
Evolucijska paleontologija
Kako i gdje su organizmi živjeli u prošlosti?
Paleoekologija
7
Koje osobine (biološke, geološke) idu u prilog fosilizaciji?
• Mnogo jedinki• Čvrsti dijelovi• Brzo zatrpavanje• Mala energija okoliša• Mala količina kisika• Malo geoloških deformacija (tektonika)
8
Kategorije fosila Neposredni ostaci
ili Body fossils
Koštana srž fosilne žabe (stare 10milijuna godina nađena u Španjolskoj)
9
Tragovi životni aktivnosti
Kemijski fosili (biomarkeri)
Lipidi (= geolipidi)Svi organizmi stvaraju lipideLipidi su u staničnim opnamahidrofobni i otporni na truljenjePCm - danasDokaz: eukarioti su bili i prije nego što neposredni ostaci kažu
10
Dobre i loše strane fosila
Autohtonost fosila?
Kako prepoznati da je fosil autohton?
fosili u normalnom položaju
člankoviti fosili su cjeloviti
nema tragova abrazije i fragmentacije
nema sortiranja prema veličini ili obliku
nema orijentacije
11
(1) I ŠTO NEMAMO MOŽE BITI JAKO VAŽNO: svi se organizmi fosilno ne sačuvaju
(2) NASLAGE S FOSILIMA su vremenski složene zajednice fosila
(3) Što su naslage starije, veća je vjerojatnost da je materijal izmjenjen, uništen
(4) U najboljem slučaju, uzorkovali smo samo dio onoga što je nekad postojalo
12
Što istražuje paleoekologija?
Stijene
Stijene: sedimente + metamorfne stijene niskog stupnja metamorfoze
13
Ciljevi paleoekologije
Rekonstrukcija fosilnih okoliša (okoliša taloženja)
Kako?
14
Rekonstrukcija paleo-okoliša
Miocenski kopneni okoliš
Morsko dno gdje su oluje bile česte, Devon
15
Rekonstrukcija i interpretacija: Kompleksnost paleoekologije
Pri rekonstrukcijama morskih okoliša različiti parametri su uključeni: salinitet, temperatura, količina otopljenog kisika, količina nutrijenata (hrane), dubina i gibanje vode.
Tako paleoekologija koristi znanja iz Sedimentologije, Stratigrafije i Geokemije
16
Ciljevi paleoekologije
Prepoznavanje načina života organizama na temelju fosilnih ostataka
Prepoznavanje grupiranja organizama geološke prošlosti temeljem fosilnih zajednica (tko je s kim dijelio paleookoliše)
17
Eohippus, Messel
Sadržaj želuca
Zašto je skelet neraščlanjen?
18
Porijeklo bolesti - Paleopatologija
Otkrila uzrok smrti John Keats (1795-1821 = 26!).
Paleopatologija – porijeklo i evolucija bolesti
19
TBC: prvi organizmi koji su bili zaraženi bakterijama uzročnicima bolesti su azijska goveda.
Više od 100 skeleta azijski krava analizirano zbog deformacija kostiju izazvanih TBC-om
Preci modernih goveda donijeli su TBC u Ameriku prije 75000 godina (prije europskih doseljenika)
Samo potomci azijskih goveda (bizoni) su zaraženi!
Prijenos na ljude….
20
Ciljevi paleoekologije
Odnos fosilnih organizama prema fosilnim okolišima
Definiranje dugoročnih promjena ili faza mirovanja u evoluciji Biosfere odnosno EKOSISTEMA
21
Ekosistem
Zajednica organizama i ne-žive tvari u prostoru.
Biogena komponenta: Biljke, Životinje, Mikroorganizami
Abiogena komponenta: tlo, voda (mora i oceani), atmosfera, stijene i minerali
22
Deve su nastale u Sjevernoj Americi
Zašto ih danas tamo
nema?
23
“Svrha” PALEOEKOLOGIJE
Kaže nam kako smo dospjeli u područja gdje se danas nalazimo
Pokazuje nam raspone prirodnih varijacija zajednice i klime
Sugerira nam što nam budućnost nosi osobito tijekom perioda brze promjene klime
24
Način rada
Uzorkovanje
Analiza
PRIKAZ REZULTATA
Interpretacija: Simulacija (potvrda interpretacije?)
PARADIGMA
25
Simulacija
26
Grane paleoekologije
Paleoautoekologija
Paleosinekologija
Ihnologija
Paleobiogeografija
27
Paleoautoekologija
Temelji se na Aktuopaleontologija = Uniformatizam
Osnivač: Derek V. Ager (Principles of Paleoecology, 1963)
Multidisciplinarnost: pri prepoznavanju načina života i ponašanja pojedinih organizama geološke prošlosti
28
Jedinke
Fiziologija organizama iz prošlosti
Ponašanje organizama iz prošlosti
29
Taksonomski uniformatizam
1. Srodnici
2. Moderni “analogni organizmi ili organi”: nemaju zajedničko porijeklo, ali dijele zajedničke osobine
30
ptica
šišmiš
Pravilo jednostavnosti ili PARSIMONI
Pretpostavka je da je sve bilo isto i
najbolje je objašnjenje ono koje je
najjednostavnije
31
Moderni homologni organizmi ili organi (zajedničko porijeklo, različiti izgled, funkcioniranje..)
Čovjek mačka kit šišmiš 32
Zajednišna paleoekologija: Paleosinekologija
Osnivači: Ager (1965); Ziegler (1965)
Prepoznavanje zajednica organizama iz geoloških prošlosti.
33
Zajednice
Na strukturu zajednice utječu procesi poput
PRILAGODBAIZUMIRANJEDISTRIBUCIJABROJNOSTRAST ZAJEDNICE
34
Ključni pojmovi: trofična struktura ili tko koga jede?
35
Zajednišna paleoekologija:
Temelj rada: Promjena multivar statističkih metoda (osobito KLASTER analiza, DISKRIMINANTNA ANALIZA) za prepoznavanje paleozajednica
36
Paleosinekologija: Evolucijska paleoekologija
Osnivač: James Valentine Evolutionary Paleoecology of the Marine Biosphere, 1973
Inspiracija: Vrba (1963), Stanley (1975) i Raup (1972)
Temelj: zajednice se mijenjaju tijekom geološke prošlosti.
37
Evolucijska paleoekologija
Promjene uključuju migracije, restrukturiranje sastava zajednica na određenom mjestu (u okolišu) zbog ekoloških promjena
38
Ihnologija
Proučava tragove aktivnosti i ponašanja organizama
39
Prednosti ihnofosila
Autohtoni
Brojnost: jedan organizam može ostaviti tijekom života brojne tragove
Česti u klastičnim stijena (“body” fosili su tamo rijetki!)
Odlični facijesni fosili (salinitet, energija vode, količina otopljenog kisika, odnos među organizmima, hrana)
40
Loše strane ihnofosila?
Jedan organizam može ostaviti više različitih tragova
Različiti organizmi mogu ostaviti iste tragove
41
Paleobiogeografija Geografsko rasprostiranje organizama
tijekom geološke prošlosti, utjecaj tektonike ploča na rasprostiranje modernih organizama.
Temelj: Svi organizmi imaju određeni geografski položaj (ovisno o ekološkim uvjetima). Organizmi se “rađaju” u jednom centru i jednom se s tog mjesta moraju preseliti!
Barijere i prolazi: spriječavaju, omogućuju ili usporavaju kretanje.
42
Endemizam i bioraznolikost
Utemeljitelj: Alfred Wegener, 1912.
43
Vodeni i kopneni okoliši (biomes)
(Biome = najveći tipovi ekosustva)
44
Kopneni okoliši su u funkciji nadmorske visine, geografske širine i klimatske pripadnosti, količine padalina
Organizmi žive u okolišima od Arktičkih tundra do tropskih prašuma
45
Vodeni okoliši pokrivaju 75% površine Zemlje:
Močvare Jezera Rijeke i potoci Međuplimska zona Pučine oceana Koraljni grebeni Morsko dno (abisalne ravnice)
46
Oligotrofično jezero: Siromašno hranom, bistra voda, bogata kisikom; mala produkcija algi, relativno duboko s malom površinom
47
Eutrofično jezero: hranom bogato, velika algalna produkcija, povremeno nedostaje kisika, “tamnija” voda
Rijeke i potoci: Organizmi se trebaju prilagoditi “riječnim strujama” u smislu da ne budu odneseni…
48
Močvare: tresetišta, sezonske bare…Velika produkcija i bioraznolikost
PRIJELAZNI OKOLIŠI: močvare, delte, lagune, nadplimne ravnice
49
Estuariji: rijeka utječe u more, jaka produkcija…
Marski okoliš
Neritik Ocean
Međuplimska zona
Šelf
Morsko dno
Fotik
Afotik
Pelagijal
Abisal50
Intertidal Zone ili Međuplimska zona: dnevni plimni ciklusi dovode do toga da se izmjenjuje faza s i bez vodenog pokrivača. Bioraznolikost?.
51
Koraljni greben; vezan za NERITIK, trope, gdje dominiraju žarnjaci (koralji), grebeni štite od valova…Danas nestaju! Zašto?
Dubokomorski izvori: na morskom dnu, raznoliki i neobični organizmi, energija crpe otopine koja se oslobađa probijanjem magme…
52
Principi paleoekologije
Organizmi su prilagođeni okolišu u kojem žive
Fosili otkrivaju kako su oraganizmi živjeli
Analogija sa srodnicima koji žive danas
Funkcionalna morfologija
Udruženi s drugim fosilima – slične preferencije
Tip podloge
Evolucija atmosfere
54
Plinoviti oblak koji okružuje Zemlju sastoji se od nekoliko koncentričnih sferičnih slojeva, koji su međusobno odvojeni prijelaznim zonama.Sastav: 78% N2, 21 % O2, 0,03% CO2, Ar, voda, prašina , pepeo…
Gornja granica na kojoj plinovi se gube u svemir je na visini nekih 1000 km iznad razine oceana.
Više od 99% ukupne mase atmosfere koncentrirano je na visinama do 40 km od površine Zemlje.
Slojevi su atmosfere obilježeni s razlikama u kemijskom sastavu zbog čega postoje razlike u temperaturama pojedinih slojeva.
55
Kemijski sastav Solarnog sistema: naša atmosfera nije prvotna, već je sekundarna.Kad se Zemlja formirala, Zemlja je bila obavijena PRVOTNOM atmosferom (sastav: H2, He).Prvotna je atmosfera na unutrašnjim planetima potpuno “izbrisana” tijekom evolucije Sunca kad je ono izbacivalo velike količine materijala s površine koji su stvorili snažne solarne vjetrove. Vjetrovi su erodirali primarnu atmosferu terestričkih planeta.Eliminacija prvotne je atmosfere bila pojačana nepostojanjem jakog magnetskog polja “mlade” Zemlje (NEMA IZDIFERENCIRANE JEZGRE).Zemljina gravitacija nije bila dovoljno jaka da spriječi nestanak H2 i He.
Prvotna atmosfera
56
Plinovi koji su se oslobodili slični su onima koji se stvaraju prilikom današnjih erupcija(H2O, CO2, SO2, CO, S2, Cl2, N2, H2) i NH3 i CH4.Nema slobodnog O2 (nema ga ni u vulkanskim plinovima).Stvaranje oceana – kako se Zemlja hladila, H2O oslobođen iz vulkana može se održati u tekućem stanju u starijem dijelu Arhean i započinje formiranje oceana.Dokazi - pillow bazalti.
Druga atmosfera: produkt vulkanske aktivnost
57
Stvaranje kisikaFotokemijska reakcija
Ultraljubičaste zrake “razbijaju” molekule vode Količina kisika koja je tako nastala iznosi nekih 1-2% današnje koncentracijeKod ove koncentracije, ozon može stvoriti štiti oko Zemlje i tako spriječiti prodor UV zraka na površinu.
FOTOSINTEZA
CO2 + H2O + = organska tvar + O2 – prvo su to napravile Archean cyanobacteria, a kasnije više biljke – dodale ostatak O2 u atmosferu.
Uvođenje kisika u atmosferu
58
CO2 se iz atmosfere odstranjuje prilikom trošenja silikata i skladišti za dugi vremenski period (milijuni godina) u vapnencima sve dok procesi subdukcije ili metamorfoze ne zahvate vapnenac i tom prilikom se oslobodi plin.
Trošenje silikata – taloženje karbonata
CO2 + CaSiO3 CaCO3 + SiO2silikati vapnenac
Odstranjivanje CO2 iz atmosfere
(obavezno voda)
59
Fotosinteza
CO2 + H2O CH2O + O2
Fitoplankton – oceani i mora
Biljke – kopno
Zatrpavanjem organske tvari smanjuje se količina CO2 u atmosferi.
Organska tvar
Odstranjivanje CO2 iz atmosfere
60
Kada se povećava koncentracija kisika?
Tijekom Proterozoika, od prije 2,4 –1,9 milijarde godina.
Dokazi:
1. “Nitaste” naslage sa Fe (Bandend Iron Fm) 2,0 – 2,8 milijarde god.
2. “Crveni pješčenjaci” – 2,3 milijarde godina
62
Kisik kojeg su proizvele prokariote otišao je u ocean, a tek onda oksidirao željezo na površini Zemlje
63
Odstranjivanje CO2 iz atmosfere
Jednom kad se vodena para iz atmosfere kondenzirala i stvorila ocean, to je postao “bazen” za nakupljanje otopljenog CO2.
Stvaranje vapnenca nakupljanjem biokemijski izlučenog kalcita znači skladištenje CO2 u litosferu.
Nekih je 60 puta više otopljenog CO2 u morskoj vodi nego u atmosferi i 3000 puta više CO2 u sedimentnim stijenama nego u oceanima.
Velika koncentracija N u početcima stvaranja atmosfere je povezana s slabom topljivošću dušika u morskoj vodi. 64
VENERA ZEMLJA MARS
TLAK NA POVRŠINI
100,000 mb 1,000 mb 6 mb
SASTAV ATMOSFERE
CO2 >98% 0,03% 96%
N2 1% 78% 2,5%
Ar 1% 1% 1,5%
O2 0,0% 21% 2,5%
H2O 0,0% 0,1% 0-0.1%
65
Hidrosfera
Voda na Zemlji
Danas 71% površine
Zemlje je pokriveno
vodom.
66
Vjeruje se da je u početku veliki dio Zemlje bio pokriven oceanima
Većina oceanske vode na Zemlji je od prije 4 milijarde godina
Pitanje porijeklo vode
Kondenzacija pare iz vulkana ili udari s kometama “ ledonosačima”? Velika kontroverza.
67
“Stari” oceani do 50 km duboki imaju svega 20% vode
Sastav vode: povezan s plinovima koji se oslobađaju erupcijama, otapanjem
Kad se to događalo?
U zadnjih 3 milijarde godina nije se znatno mijenjao sastav tjelesnih tekućina morskih organizama
68
Litosfera
Evolucija: posljedica temperaturnih varijacija
1. Vruća i otopljena2. Teški elementu “tonu” prema centru3. Diferencijacija4. Hlađenje i stvaranje kore5. Radioaktivnost6. Tektonika ploča
69
• prije 5,5-6 109 god. nebula se počela urušavati• prije 4,6 109 god. , počine fuzija Sunca• prije 4,5-4,56 109 god., iz planetezimala nastaje pra-Zemlja.• prije 4,44 109 god.: nastaju Zemlja i Mjesec kao posljedica velikih srazova. Zemlja je otopljena masa silikatnih taljevina.• prije 4,2 109 god. Zemlja je izdiferencirana• prije 4 109 god.: prvi OCEAN, postoji debeli sloj plinoviti koja obavija Zemlju • prije 3,8 109 god.: život nastaje• prije 2,5 do 3 109 god.:stvaranja kisika u oceanima kao posljedica fotosinteza• prije 2 109 godina kisik dospijeva u atmosferu
Zemljina povijest: važni datumi
Starost Zemlje?Starost je procijenjena na 4,55 milijardi godina temeljem mjerenja izotopa Pb.
Najstarija zemaljska stijena: 3,8 -3,9 milijardi god.
Najstariji zemljini mineral (cirkon): 4,2 milijarde god.
Najstarija mjesečeva stijena: 4,44 milijarde god.
Promjene konfiguracije kontinenata zabilježene u zadnjih 150 milijuna godina.
72
73
Funkcioniranje Zemlje
74
Gaia - 1983 Watson & Lovelock
75
Kratka povijest paleoekologije
Leonardo da Vinci C. Darwin (prilagodba organizama na
okoliš) A. Humboldt (porijeklo geografske
distribucije modernih i fosilnih organizama)
H. De la Beche: oslikao donjojurske morske pejzaže Dorseta
E. Haeckel
76
Slike prikazane na prezentaciji prikupljene su poću raznih tražilica i bez dozvole za kopiranje.
77
LITERATURA
Brenchley, P.J. & Harper, D.A.T., 2004: Palaeoecology: Ecosystems, Environments and Evolution. Hapman & Hall, 397 str., London.
78
79
Briggs, D. & Crowther, P.C. (ur), 2001, Palaeobiology II, 600 str, Wiley-Blackwell