"Życie i ewolucja biosfery"

Spis treści

Rozdział 1 14

Wstęp 14

1.1. Czego czytelnik powinien się spodziewać po tej książce? 14

1.2. O metodzie naukowej 16

1.3. Ekologia współczesna 25

Literatura uzupełniająca 31

Życie biosfery 36

Rozdział 2 36

2.1. Żywy organizm 36

2.2. Żywa biosfera 37

2.3. Ekologia jako program badawczy biologii 38

2.4. Planeta Ziemia 39

2.4.1. Ziemia we wszechświecie 39

2.4.2. Planety Układu Słonecznego 42

2.4.3. Środowisko kosmiczne 44

2.4.4. Ruch Ziemi wokół Słońca, pory roku 46

2.4.5. Ruch obrotowy Ziemi wokół osi 47

2.4.6. Magnetosfera Ziemi 47

2.4.7. Hipoteza Milankoviča 48

2.5. Ziemia pod nogami 51

2.5.1. Co jest w środku 51

2.5.2. „A jednak się rusza” 52

2.6. Cyrkulacja atmosferyczna i cykl hydrologiczny 57

Literatura uzupełniająca 61

Biogeneza i historia biosfery 62

Rozdział 3 62

3.1. Powstanie życia na Ziemi 62

3.1.1. Co to jest: życie 62

3.1.2. Hipotezy o powstaniu życia na Ziemi 64

3.1.3. „Od dołu”: badania geologiczne i paleontologiczne 66

3.1.4. „Od góry”: badania porównawcze współczesnych organizmów 71

3.1.5. Hipotezy i eksperymenty „tu i teraz” 74

3.1.6. Od minerałów do praorganizmu 75

3.1.7. Świat RNA 81

3.1.8. Powstanie współczesnych form życiowych 83

3.2. Prehistoria życia i paleoekologia 84

3.3. Wielkie wymierania 87

3.3.1. Dokumenty paleontologiczne 88

3.3.2. Przyczyny katastrof 94

3.3.3. Zderzenia z meteorytami 94

3.3.4. Okresowość wymierań? 97

3.3.5. Wulkanizm i inne konkurencyjne hipotezy 98

Literatura uzupełniająca 100

Metabolizm biosfery 102

Rozdział 4 102

4.1. Cykl redoks 102

4.2. Heterotrofia 108

4.3. Autotrofia 109

4.4. Pobieranie azotu i siarki 113

4.5. Oddychanie 114

4.6. Ewolucja systemów metabolicznych 118

4.6.1. Ekosystemy cieplic głębinowych 118

4.6.2. Głęboka biosfera 121

4.6.3. Ewolucja fotosyntezy 122

Literatura uzupełniająca 125

Produkcja pierwotna biosfery 126

Rozdział 5 126

5.1. Energetyka produkcji biomasy 126

5.2. Metody pomiaru produkcji pierwotnej 130

5.2.1. Metody żniwne 132

5.2.2. Pomiary fizjologiczne 134

5.2.3. Metoda kowariancji wirów 135

5.2.4. Metody pośrednie 136

5.3. Od czego zależy tempo produkcji pierwotnej? 142

5.4. Produkcja pierwotna w oceanach 144

5.5. Produkcja pierwotna na lądach 147

5.6. Bilans energetyczny biosfery 152

Literatura uzupełniająca 156

Dekompozycja, czyli rozkład biomasy 158

Rozdział 6 158

6.1. Istota procesu 158

6.2. Dekompozycja dokonywana przez rośliny 160

6.3. Dekompozycja dokonywana przez konsumentów 160

6.4. Destruenci, detrytusożercy, saprofagi, „reducenci” 161

6.5. Procesy dekompozycji w wodach 162

6.6. Procesy dekompozycji na lądach 164

6.7. Od czego zależy tempo dekompozycji i jak się je mierzy? 165

6.8. Niedomknięte bilanse: deponowanie materii organicznej 177

Literatura uzupełniająca 178

Cykle biogeochemiczne 180

Rozdział 7 180

7.1. Krążenie pierwiastków w biosferze 180

7.2. Cykl węgla 182

7.3. Bilans węgla a klimat globalny 196

7.3.1. Klimat się zmienia 196

7.3.2. Przyczyny zmian klimatu 198

7.3.3. Gazy cieplarniane 201

7.3.4. Spodziewane skutki wzrostu zawartości CO2 w atmosferze 205

7.4. Cykl azotu 208

7.5. Cykl siarki 215

7.6. Cykl fosforu 221

7.7. Żelazo 223

Literatura uzupełniająca 224

Ekosystem 226

Rozdział 8 226

8.1. Warunki życia w oceanie i na lądzie 226

8.2. Biomy Ziemi 229

8.2.1. Zróżnicowanie biosfery 229

8.2.2. Gleba 231

8.3. Biosfera, biom, ekosystem 235

8.4. Pojęcie ekosystemu: problemy terminologiczne 244

8.5. Struktura troficzna ekosystemu 248

8.6. Modele ekosystemów 253

8.7. Bioenergetyka ekologiczna 257

Literatura uzupełniająca 260

Jezioro, las, step, ocean 262

Rozdział 9 262

9.1. Cztery przykłady 262

9.2. Jezioro 263

9.3. Las strefy umiarkowanej 277

9.3.1. Badania ekosystemów leśnych 277

9.3.2. Lasy Puszczy Niepołomickiej 278

9.3.3. Lasy naturalne i lasy użytkowe 290

9.4. Step 301

9.4.1. Ekosystem trawiasty 301

9.4.2. Suchy step karaganowo-ostnicowy w Mongolii 303

9.4.3. Wpływ gryzoni na obieg materii i produktywność stepu 305

9.5. Ocean 308

9.5.1. Ekosystem globalny 308

9.5.2. Biomy morskie 309

9.5.3. Prądy wstępujące (upwellingi) 310

9.5.4. El Niño 312

Literatura uzupełniająca 315

Funkcjonowanie ekosystemów — w poszukiwaniu ogólnych zasad 316

Rozdział 10 316

10.1. Struktura sieci troficznej i przepływ energii w ekosystemach 316

10.2. Przepływ energii i materii między poziomami troficznymi 321

10.3. Analiza sieci troficznych 337

10.4. Od czego zależy długość łańcuchów troficznych 340

10.5. Regulacja ekosystemu: „z góry” czy „z dołu”? 342

10.6. Jak powstaje ekosystem 344

10.7. Stabilność ekosystemów 348

10.8. Trwałość biosfery 360

Literatura uzupełniająca 368

Różnorodność biosfery 370

Rozdział 11 370

11.1. Zagadka różnorodności biosfery 370

11.2. Zróżnicowanie form życiowych 373

11.2.1. Źródła zmienności organizmów żywych 373

11.2.2. Każdy organizm jest unikatem 374

11.2.3. Różnorodność gatunkowa 376

11.2.4. Różnorodność prebiotyczna i wczesna ewolucja form życiowych 377

11.2.5. Nieciągłość zmienności 378

11.3. Zmiany liczby gatunków w historii biosfery 379

11.4. Ile gatunków żyje obecnie na Ziemi? 387

11.4.1. Stan znajomości współczesnej flory i fauny 387

11.4.2. Próby oszacowania rzeczywistej liczby gatunków 391

11.5. Przestrzenna zmienność różnorodności gatunkowej w biosferze 399

11.5.1. Geograficzne wzorce różnorodności gatunkowej 399

11.5.2. Przyczyny geograficznego zróżnicowania liczby gatunków 406

11.5.3. Zależność liczby gatunków od wielkości areału 418

11.6. Znaczenie globalnej różnorodności gatunkowej i jej zagrożenia 422

11.6.1. Wymierania plejstoceńskie i współczesne 422

11.6.2. Pożytki z różnorodności biologicznej 431

Literatura uzupełniająca 434

Organizm wśród organizmów 436

Rozdział 12 436

12.1. Środowisko biotyczne 436

12.2. Ewolucja interakcji międzygatunkowych 437

12.3. Konkurencja 442

12.3.1. Model konkurencji 442

12.3.2. Eksperymentalne badania nad konkurencją 452

12.3.3. Znaczenie konkurencji międzygatunkowej dla różnorodności biosfery 463

12.4. Eksploatacja 464

12.4.1. Niesymetryczne interakcje międzygatunkowe 464

12.4.2. Pasożytnictwo 464

12.4.3. Drapieżnictwo 470

12.4.4. Roślinożerność 484

12.5. Mutualizm 489

12.5.1. Symbiozy metaboliczne 489

12.5.2. Zoogamia i zoochoria 500

12.5.3. Przymierze obronne 509

12.5.4. Komensalizm 510

12.5.5. Znaczenie mutualizmu dla różnorodności biosfery 511

Literatura uzupełniająca 513

Różnorodność gatunkowa w skali lokalnej 514

Rozdział 13 514

13.1. Struktura różnorodności 514

13.1.1. Składowe różnorodności gatunkowej 514

13.1.2. Powtarzalność składu gatunkowego 519

13.2. Zespół i biocenoza 520

13.2.1. Czy to, czym zajmuje się ekologia, w ogóle istnieje? 520

13.2.2. Burzliwe dzieje kilku pojęć 524

13.3. Powtarzalne wzorce w strukturze zespołów 528

13.2.3. Wzorce i mechanizmy 528

13.3.1. Wzorzec I: Redundancja biocenoz. Gatunków jest zawsze „za dużo”, o wiele więcej niż kategorii troficznych realizujących funkcje ekosystemu 528

13.3.2. Wzorzec II: Wielkość populacji gatunków wchodzących w skład zespołów ma charakterystyczny rozkład: mało dużych, dużo małych 532

13.3.3. Wzorzec III: Wielkości ciała gatunków wchodzących w skład zespołów mają charakterystyczne rozkłady: mało dużych, dużo małych 539

13.3.4. Wzorzec IV: Gatunki wchodzące w skład zespołu w sposób charakterystyczny różnią się od siebie („zasada ograniczonego podobieństwa”) 547

13.3.5. Wzorzec V: Z danej puli gatunków w podobnych warunkach mogą się tworzyć różne zespoły, ale ich skład nie jest przypadkowy 554

13.3.6. Wzorzec VI: Konwergencja zespołów 557

13.3.7. Co wynika z analizy powtarzalnych wzorców w strukturze zespołów? 561

13.4. Dynamika biocenoz 564

13.4.1. Wzorce zmian struktury biocenozy w czasie: sukcesja 564

13.4.2. Sukcesja: proces deterministyczny czy losowy? 571

13.4.3. Równowaga w biocenozie 575

13.4.4. Mechanizm zrównoważenia liczby gatunków w zespole — model biogeografii wysp 575

13.5. Znaczenie lokalnej różnorodności gatunkowej 578

13.5.1. Czy różnorodność gwarantuje stabilność? Rozważania teoretyczne 578

13.5.2. Potwierdzenia eksperymentalne 581

13.5.3. Czy różnorodność jest dobra dla ekosystemu? 584

Literatura uzupełniająca 585

Ekologia gatunku 586

Rozdział 14 586

14.1. Populacja jednogatunkowa 586

14.1.1. Poziomy organizacji życia 586

14.1.2. Dynamika populacji 588

14.1.3. Wpływ czynników niezależnych od zagęszczenia na dynamikę populacji 590

14.2. Regulacja liczebności populacji 592

14.2.1. Czynniki zależne od zagęszczenia 592

14.2.2. Konkurencja wewnątrzgatunkowa — podział zasobów 600

14.2.3. Samoprzerzedzenie 601

14.2.4. Terytorializm 605

14.2.5. Stabilizujący wpływ zmienności indywidualnej 607

14.2.6. Warunki przetrwania gatunku 610

14.2.7. Populacja populacji, czyli metapopulacja 612

14.3. Demografia 617

14.3.1. Losy poszczególnych osobników 617

14.3.2. Wskaźnik zastępowania 618

14.3.3. Tabela życia dla kohorty 620

14.3.4. Macierz projekcji 635

14.3.5. Związki między współczynnikami dynamiki populacji 639

14.4. Strategie ewolucyjne gatunków 641

14.4.1. Historie życiowe 641

14.4.2. Kształtowanie strategii życiowej przez dobór naturalny 644

14.4.3. Organizm w środowisku — bioenergetyka ekologiczna 648

Literatura uzupełniająca 659

Epilog 662

Dodatek 1 666

Zastosowanie badań satelitarnych w ekologii 666

D1.1. Satelity do użytku codziennego: GPS 666

D1.2. Radiotelemetria satelitarna 669

D1.3. Metody teledetekcji satelitarnej 671

D1.4. Dostęp do danych satelitarnych 684

D1.5. Lotem trutnia 685

Literatura uzupełniająca 686

Dodatek 2 688

Przewodnik po metodach statystyki wielowymiarowej 688

Przykłady zastosowań statystyki wielowymiarowej w ekologii 699

Literatura uzupełniająca 700

Dodatek 3 702

Metody molekularne w ekologii 702

D3.1. „Ekologia molekularna” 702

D3.2. Markery genetyczne 704

D3.3. Warsztat molekularny w ekologii 705

D3.4. Wybrane przykłady zastosowań metod molekularnych w różnych obszarach ekologii 709

D3.4.1. Struktura i funkcjonowanie ekosystemów 709

D3.4.2. Ekologia gatunku, populacji i osobnika 713

Literatura uzupełniająca 716

Słownik wybranych pojęć z zakresu ekologii 718

Źródła ilustracji 770

Indeks rzeczowy 778

Indeks nazw organizmów 798