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 Promatranje Proces Tvrdnja Odgovor Posljedica Promatranje Povijesna znanost vrijeme ima ključnu ulogu u procesima 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 10 milijuna godina nađena u Španjolskoj) 9
Tragovi životni aktivnosti Kemijski fosili (biomarkeri) Lipidi (= geolipidi) Svi organizmi stvaraju lipide Lipidi su u staničnim opnama hidrofobni i otporni na truljenje PCm - danas Dokaz: 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 Morsko dno gdje su oluje bile česte, Devon Miocenski kopneni okoliš 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
Zašto je skelet neraščlanjen? Sadržaj želuca Eohippus, Messel 18
Porijeklo bolesti - Paleopatologija Paleopatologija porijeklo i evolucija bolesti Otkrila uzrok smrti John Keats (1795-1821 = 26!). 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 ptica šišmiš 30
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 PRILAGODBA IZUMIRANJE DISTRIBUCIJA BROJNOST RAST 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
Eutrofično jezero: hranom bogato, velika algalna produkcija, povremeno nedostaje kisika, tamnija voda Oligotrofično jezero: Siromašno hranom, bistra voda, bogata kisikom; mala produkcija algi, relativno duboko s malom površinom 47
Močvare: tresetišta, sezonske bare Velika produkcija i bioraznolikost Rijeke i potoci: Organizmi se trebaju prilagoditi riječnim strujama u smislu da ne budu odneseni 48
PRIJELAZNI OKOLIŠI: močvare, delte, lagune, nadplimne ravnice Estuariji: rijeka utječe u more, jaka produkcija 49
Međuplimska zona Neritik Ocean Fotik Šelf Pelagijal Morsko dno Afotik Marski okoliš Abisal 50
Intertidal Zone ili Međuplimska zona: dnevni plimni ciklusi dovode do toga da se izmjenjuje faza s i bez vodenog pokrivača. Bioraznolikost?. Koraljni greben; vezan za NERITIK, trope, gdje dominiraju žarnjaci (koralji), grebeni štite od valova Danas nestaju! Zašto 51
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% N 2, 21 % O 2, 0,03% CO 2, 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
Prvotna atmosfera Kemijski sastav Solarnog sistema: naša atmosfera nije prvotna, već je sekundarna. Kad se Zemlja formirala, Zemlja je bila obavijena PRVOTNOM atmosferom (sastav: H 2, 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 H 2 i He. 56
Druga atmosfera: produkt vulkanske aktivnost Plinovi koji su se oslobodili slični su onima koji se stvaraju prilikom današnjih erupcija (H 2 O, CO 2, SO 2, CO, S 2, Cl 2, N 2, H 2 ) i NH 3 i CH 4. Nema slobodnog O 2 (nema ga ni u vulkanskim plinovima). Stvaranje oceana kako se Zemlja hladila, H 2 O oslobođen iz vulkana može se održati u tekućem stanju u starijem dijelu Arhean i započinje formiranje oceana. Dokazi - pillow bazalti. 57
Uvođenje kisika u atmosferu Stvaranje kisika Fotokemijska reakcija Ultraljubičaste zrake razbijaju molekule vode Količina kisika koja je tako nastala iznosi nekih 1-2% današnje koncentracije Kod ove koncentracije, ozon može stvoriti štiti oko Zemlje i tako spriječiti prodor UV zraka na površinu. FOTOSINTEZA CO 2 + H 2 O + = organska tvar + O 2 prvo su to napravile Archean cyanobacteria, a kasnije više biljke dodale ostatak O 2 u atmosferu. 58
Odstranjivanje CO 2 iz atmosfere Trošenje silikata taloženje karbonata (obavezno voda) CO 2 + CaSiO 3 CaCO 3 + SiO 2 silikati vapnenac CO 2 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. 59
Odstranjivanje CO 2 iz atmosfere Fotosinteza CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 Fitoplankton oceani i mora Biljke kopno Organska tvar Zatrpavanjem organske tvari smanjuje se količina CO 2 u atmosferi. 60
Prokaryota 61
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 CO 2 iz atmosfere Jednom kad se vodena para iz atmosfere kondenzirala i stvorila ocean, to je postao bazen za nakupljanje otopljenog CO 2. Stvaranje vapnenca nakupljanjem biokemijski izlučenog kalcita znači skladištenje CO 2 u litosferu. Nekih je 60 puta više otopljenog CO 2 u morskoj vodi nego u atmosferi i 3000 puta više CO 2 u sedimentnim stijenama nego u oceanima. Velika koncentracija N u početcima stvaranja atmosfere je povezana s slabom topljivošću dušika u morskoj vodi. 64
TLAK NA POVRŠINI VENERA ZEMLJA MARS 100,000 mb 1,000 mb 6 mb SASTAV ATMOSFERE CO 2 >98% 0,03% 96% N 2 1% 78% 2,5% Ar 1% 1% 1,5% O 2 0,0% 21% 2,5% H 2 O 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 otopljena 2. Teški elementu tonu prema centru 3. Diferencijacija 4. Hlađenje i stvaranje kore 5. Radioaktivnost 6. Tektonika ploča 69
Zemljina povijest: važni datumi prije 5,5-6 10 9 god. nebula se počela urušavati prije 4,6 10 9 god., počine fuzija Sunca prije 4,5-4,56 10 9 god., iz planetezimala nastaje pra- Zemlja. prije 4,44 10 9 god.: nastaju Zemlja i Mjesec kao posljedica velikih srazova. Zemlja je otopljena masa silikatnih taljevina. prije 4,2 10 9 god. Zemlja je izdiferencirana prije 4 10 9 god.: prvi OCEAN, postoji debeli sloj plinoviti koja obavija Zemlju prije 3,8 10 9 god.: život nastaje prije 2,5 do 3 10 9 god.:stvaranja kisika u oceanima kao posljedica fotosinteza prije 2 10 9 godina kisik dospijeva u atmosferu
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
Briggs, D. & Crowther, P.C. (ur), 2001, Palaeobiology II, 600 str, Wiley-Blackwell 79