ebook Życie i ewolucja biosfery January Weiner

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2020

Książka przedstawia główne zagadnienia współczesnej ekologii, rozumianej jako program badawczy biologii, ze szczególnym uwzględnieniem biosfery – ekosystemu Ziemi, którego częścią jest populacja gatunku Homo sapiens. Nowatorstwo tego opracowania polega na przedstawieniu zjawiska życia jako procesu globalnego, realizowanego przez całą biosferę, na którą składają się lokalne ekosystemy, populacje pojedynczych organizmów, połączonych wieloma interakcjami. Proces ten trwa od miliardów lat, podlegając prawom termodynamiki i doboru naturalnego. Są to problemy najbardziej aktualne, wciąż mało rozwijane w innych podręcznikach.

Nacisk położono na specyficzną metodologię przyrodniczych nauk eksperymentalnych i naukowy krytycyzm, które gwarantują bezkonkurencyjną wiarygodność ustaleń współczesnej ekologii i biologii ewolucyjnej. Jest to szczególnie ważne w obecnym okresie zagrożeń cywilizacji, wynikających z antropogenicznych zmian w funkcjonowaniu biosfery. Praktyka ochrony środowiska naturalnego człowieka, a także ochrony przyrody jako wartości autotelicznej, muszą się opierać na wynikach badań naukowych, jednak warunkiem realizacji tych celów jest zaufanie do nauk przyrodniczych.

Kolejne, trzecie wydanie, jest gruntownie unowocześnione, uwzględnia najnowsze zdobycze naukowej ekologii i ewolucjonizmu, dotyczące zagadnień o fundamentalnym znaczeniu dla nauk biologicznych oraz dla praktycznej ochrony przyrody i środowiska człowieka. Przedstawiony jest bilans węgla w biosferze i jego związki ze zmianami klimatu, nowe dane na temat bioróżnorodności, jej zmian i znaczenia dla funkcjonowania ekosystemów, a także najnowsze hipotezy o pochodzeniu życia. Przedstawiono nowoczesne narzędzia badań ekologicznych, w tym metody molekularne, stechiometrię ekologiczną, dane satelitarne i statystyczną metaanalizę danych.

Publikacja przeznaczona jest przede wszystkim dla studentów biologii i ochrony środowiska wszystkich uczelni w Polsce, na których jest wykładana ekologia, a także dla doktorantów i pracowników naukowych.

Spis treści ebooka Życie i ewolucja biosfery

Rozdział 1 1
Wstęp 1
1.1. Czego czytelnik powinien się spodziewać po tej książce? 1
1.2. O metodzie naukowej 3
1.3. Ekologia współczesna 12
Literatura uzupełniająca 18
Rozdział 2 23
Życie biosfery 23
2.1. Żywy organizm 23
2.2. Żywa biosfera 24
2.3. Ekologia jako program badawczy biologii 25
2.4. Planeta Ziemia 26
2.4.1. Ziemia we wszechświecie 26
2.4.2. Planety Układu Słonecznego 29
2.4.3. Środowisko kosmiczne 31
2.4.4. Ruch Ziemi wokół Słońca, pory roku 33
2.4.5. Ruch obrotowy Ziemi wokół osi 34
2.4.6. Magnetosfera Ziemi 34
2.4.7. Hipoteza Milankoviča 35
2.5. Ziemia pod nogami 38
2.5.1. Co jest w środku 38
2.5.2. „A jednak się rusza” 39
2.6. Cyrkulacja atmosferyczna i cykl hydrologiczny 44
Literatura uzupełniająca 48
Rozdział 3 49
Biogeneza i historia biosfery 49
3.1. Powstanie życia na Ziemi 49
3.1.1. Co to jest: życie 49
3.1.2. Hipotezy o powstaniu życia na Ziemi 51
3.1.3. „Od dołu”: badania geologiczne i paleontologiczne 53
3.1.4. „Od góry”: badania porównawcze współczesnych organizmów 58
3.1.5. Hipotezy i eksperymenty „tu i teraz” 61
3.1.6. Od minerałów do praorganizmu 62
3.1.7. Świat RNA 68
3.1.8. Powstanie współczesnych form życiowych 70
3.2. Prehistoria życia i paleoekologia 71
3.3. Wielkie wymierania 74
3.3.1. Dokumenty paleontologiczne 75
3.3.2. Przyczyny katastrof 81
3.3.3. Zderzenia z meteorytami 81
3.3.4. Okresowość wymierań? 84
3.3.5. Wulkanizm i inne konkurencyjne hipotezy 85
Literatura uzupełniająca 87
Rozdział 4 89
Metabolizm biosfery 89
4.1. Cykl redoks 89
4.2. Heterotrofia 95
4.3. Autotrofia 96
4.4. Pobieranie azotu i siarki 100
4.5. Oddychanie 101
4.6. Ewolucja systemów metabolicznych 105
4.6.1. Ekosystemy cieplic głębinowych 105
4.6.2. Głęboka biosfera 108
4.6.3. Ewolucja fotosyntezy 109
Literatura uzupełniająca 112
Rozdział 5 113
Produkcja pierwotna biosfery 113
5.1. Energetyka produkcji biomasy 113
5.2. Metody pomiaru produkcji pierwotnej 117
5.2.1. Metody żniwne 119
5.2.2. Pomiary fizjologiczne 121
5.2.3. Metoda kowariancji wirów 122
5.2.4. Metody pośrednie 123
5.3. Od czego zależy tempo produkcji pierwotnej? 129
5.4. Produkcja pierwotna w oceanach 131
5.5. Produkcja pierwotna na lądach 134
5.6. Bilans energetyczny biosfery 139
Literatura uzupełniająca 143
Rozdział 6 145
Dekompozycja, czyli rozkład biomasy 145
6.1. Istota procesu 145
6.2. Dekompozycja dokonywana przez rośliny 147
6.3. Dekompozycja dokonywana przez konsumentów 147
6.4. Destruenci, detrytusożercy, saprofagi, „reducenci” 148
6.5. Procesy dekompozycji w wodach 149
6.6. Procesy dekompozycji na lądach 151
6.7. Od czego zależy tempo dekompozycji i jak się je mierzy? 152
6.8. Niedomknięte bilanse: deponowanie materii organicznej 164
Literatura uzupełniająca 165
Rozdział 7 167
Cykle biogeochemiczne 167
7.1. Krążenie pierwiastków w biosferze 167
7.2. Cykl węgla 169
7.3. Bilans węgla a klimat globalny 183
7.3.1. Klimat się zmienia 183
7.3.2. Przyczyny zmian klimatu 185
7.3.3. Gazy cieplarniane 188
7.3.4. Spodziewane skutki wzrostu zawartości CO2 w atmosferze 192
7.4. Cykl azotu 195
7.5. Cykl siarki 202
7.6. Cykl fosforu 208
7.7. Żelazo 210
Literatura uzupełniająca 211
Rozdział 8 213
Ekosystem 213
8.1. Warunki życia w oceanie i na lądzie 213
8.2. Biomy Ziemi 216
8.2.1. Zróżnicowanie biosfery 216
8.2.2. Gleba 218
8.3. Biosfera, biom, ekosystem 222
8.4. Pojęcie ekosystemu: problemy terminologiczne 231
8.5. Struktura troficzna ekosystemu 235
8.6. Modele ekosystemów 240
8.7. Bioenergetyka ekologiczna 244
Literatura uzupełniająca 247
Rozdział 9 249
Jezioro, las, step, ocean 249
9.1. Cztery przykłady 249
9.2. Jezioro 250
9.3. Las strefy umiarkowanej 264
9.3.1. Badania ekosystemów leśnych 264
9.3.2. Lasy Puszczy Niepołomickiej 265
9.3.3. Lasy naturalne i lasy użytkowe 277
9.4. Step 288
9.4.1. Ekosystem trawiasty 288
9.4.2. Suchy step karaganowo-ostnicowy w Mongolii 290
9.4.3. Wpływ gryzoni na obieg materii i produktywność stepu 292
9.5. Ocean 295
9.5.1. Ekosystem globalny 295
9.5.2. Biomy morskie 296
9.5.3. Prądy wstępujące (upwellingi) 297
9.5.4. El Niño 299
Literatura uzupełniająca 302
Rozdział 10 303
Funkcjonowanie ekosystemów — w poszukiwaniu ogólnych zasad 303
10.1. Struktura sieci troficznej i przepływ energii w ekosystemach 303
10.2. Przepływ energii i materii między poziomami troficznymi 308
10.3. Analiza sieci troficznych 324
10.4. Od czego zależy długość łańcuchów troficznych 327
10.5. Regulacja ekosystemu: „z góry” czy „z dołu”? 329
10.6. Jak powstaje ekosystem 331
10.7. Stabilność ekosystemów 335
10.8. Trwałość biosfery 347
Literatura uzupełniająca 355
Rozdział 11 357
Różnorodność biosfery 357
11.1. Zagadka różnorodności biosfery 357
11.2. Zróżnicowanie form życiowych 360
11.2.1. Źródła zmienności organizmów żywych 360
11.2.2. Każdy organizm jest unikatem 361
11.2.3. Różnorodność gatunkowa 363
11.2.4. Różnorodność prebiotyczna i wczesna ewolucja form życiowych 364
11.2.5. Nieciągłość zmienności 365
11.3. Zmiany liczby gatunków w historii biosfery 366
11.4. Ile gatunków żyje obecnie na Ziemi? 374
11.4.1. Stan znajomości współczesnej flory i fauny 374
11.4.2. Próby oszacowania rzeczywistej liczby gatunków 378
11.5. Przestrzenna zmienność różnorodności gatunkowej w biosferze 386
11.5.1. Geograficzne wzorce różnorodności gatunkowej 386
11.5.2. Przyczyny geograficznego zróżnicowania liczby gatunków 393
11.5.3. Zależność liczby gatunków od wielkości areału 405
11.6. Znaczenie globalnej różnorodności gatunkowej i jej zagrożenia 409
11.6.1. Wymierania plejstoceńskie i współczesne 409
11.6.2. Pożytki z różnorodności biologicznej 418
Literatura uzupełniająca 421
Rozdział 12 423
Organizm wśród organizmów 423
12.1. Środowisko biotyczne 423
12.2. Ewolucja interakcji międzygatunkowych 424
12.3. Konkurencja 429
12.3.1. Model konkurencji 429
12.3.2. Eksperymentalne badania nad konkurencją 439
12.3.3. Znaczenie konkurencji międzygatunkowej dla różnorodności biosfery 450
12.4. Eksploatacja 451
12.4.1. Niesymetryczne interakcje międzygatunkowe 451
12.4.2. Pasożytnictwo 451
12.4.3. Drapieżnictwo 457
12.4.4. Roślinożerność 471
12.5. Mutualizm 476
12.5.1. Symbiozy metaboliczne 476
12.5.2. Zoogamia i zoochoria 487
12.5.3. Przymierze obronne 496
12.5.4. Komensalizm 497
12.5.5. Znaczenie mutualizmu dla różnorodności biosfery 498
Literatura uzupełniająca 500
Rozdział 13 501
Różnorodność gatunkowa w skali lokalnej 501
13.1. Struktura różnorodności 501
13.1.1. Składowe różnorodności gatunkowej 501
13.1.2. Powtarzalność składu gatunkowego 506
13.2. Zespół i biocenoza 507
13.2.1. Czy to, czym zajmuje się ekologia, w ogóle istnieje? 507
13.2.2. Burzliwe dzieje kilku pojęć 511
13.2.3. Wzorce i mechanizmy 515
13.3. Powtarzalne wzorce w strukturze zespołów 515
13.3.1. Wzorzec I: Redundancja biocenoz. Gatunków jest zawsze „za dużo”, o wiele więcej niż kategorii troficznych realizujących funkcje ekosystemu 515
13.3.2. Wzorzec II: Wielkość populacji gatunków wchodzących w skład zespołów ma charakterystyczny rozkład: mało dużych, dużo małych 519
13.3.3. Wzorzec III: Wielkości ciała gatunków wchodzących w skład zespołów mają charakterystyczne rozkłady: mało dużych, dużo małych 526
13.3.4. Wzorzec IV: Gatunki wchodzące w skład zespołu w sposób charakterystyczny różnią się od siebie („zasada ograniczonego podobieństwa”) 534
13.3.5. Wzorzec V: Z danej puli gatunków w podobnych warunkach mogą się tworzyć różne zespoły, ale ich skład nie jest przypadkowy 541
13.3.6. Wzorzec VI: Konwergencja zespołów 544
13.3.7. Co wynika z analizy powtarzalnych wzorców w strukturze zespołów? 548
13.4. Dynamika biocenoz 551
13.4.1. Wzorce zmian struktury biocenozy w czasie: sukcesja 551
13.4.2. Sukcesja: proces deterministyczny czy losowy? 558
13.4.3. Równowaga w biocenozie 562
13.4.4. Mechanizm zrównoważenia liczby gatunków w zespole — model biogeografii wysp 562
13.5. Znaczenie lokalnej różnorodności gatunkowej 565
13.5.1. Czy różnorodność gwarantuje stabilność? Rozważania teoretyczne 565
13.5.2. Potwierdzenia eksperymentalne 568
13.5.3. Czy różnorodność jest dobra dla ekosystemu? 571
Literatura uzupełniająca 572
Rozdział 14 573
Ekologia gatunku 573
14.1. Populacja jednogatunkowa 573
14.1.1. Poziomy organizacji życia 573
14.1.2. Dynamika populacji 575
14.1.3. Wpływ czynników niezależnych od zagęszczenia na dynamikę populacji 577
14.2. Regulacja liczebności populacji 579
14.2.1. Czynniki zależne od zagęszczenia 579
14.2.2. Konkurencja wewnątrzgatunkowa — podział zasobów 587
14.2.3. Samoprzerzedzenie 588
14.2.4. Terytorializm 592
14.2.5. Stabilizujący wpływ zmienności indywidualnej 594
14.2.6. Warunki przetrwania gatunku 597
14.2.7. Populacja populacji, czyli metapopulacja 599
14.3. Demografia 604
14.3.1. Losy poszczególnych osobników 604
14.3.2. Wskaźnik zastępowania 605
14.3.3. Tabela życia dla kohorty 607
14.3.4. Macierz projekcji 622
14.3.5. Związki między współczynnikami dynamiki populacji 626
14.4. Strategie ewolucyjne gatunków 628
14.4.1. Historie życiowe 628
14.4.2. Kształtowanie strategii życiowej przez dobór naturalny 631
14.4.3. Organizm w środowisku — bioenergetyka ekologiczna 635
Literatura uzupełniająca 646
Epilog 649
Dodatek 1 653
Zastosowanie badań satelitarnych w ekologii 653
D1.1. Satelity do użytku codziennego: GPS 653
D1.2. Radiotelemetria satelitarna 656
D1.3. Metody teledetekcji satelitarnej 658
D1.4. Dostęp do danych satelitarnych 671
D1.5. Lotem trutnia 672
Literatura uzupełniająca 673
Dodatek 2 675
Przewodnik po metodach statystyki wielowymiarowej 675
Przykłady zastosowań statystyki wielowymiarowej w ekologii 686
Literatura uzupełniająca 687
Dodatek 3 689
Metody molekularne w ekologii 689
D3.1. „Ekologia molekularna” 689
D3.2. Markery genetyczne 691
D3.3. Warsztat molekularny w ekologii 692
D3.4. Wybrane przykłady zastosowań metod molekularnych w różnych obszarach ekologii 696
D3.4.1. Struktura i funkcjonowanie ekosystemów 696
D3.4.2. Ekologia gatunku, populacji i osobnika 700
Literatura uzupełniająca 703
Słownik wybranych pojęć z zakresu ekologii 705
Źródła ilustracji 757
Indeks rzeczowy 765
Indeks nazw organizmów 785