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

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 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