Informácie

8.4: Cykly hmoty v biosfére - biológia

8.4: Cykly hmoty v biosfére - biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

8.4: Cykly hmoty v biosfére

Dominancia biosféry ľuďmi: Rýchle vybitie zemsko-vesmírnej batérie predpovedá budúcnosť ľudstva

Zem je chemická batéria, kde sa v priebehu evolučného času s pramienkom fotosyntézy pomocou slnečnej energie ukladali miliardy ton živej biomasy v lesoch a iných ekosystémoch a v obrovských zásobách fosílnych palív. Len za posledných niekoľko stoviek rokov ľudia vyťažili využiteľnú energiu z týchto živých a fosílnych palív z biomasy na vybudovanie modernej priemyselno-technologicko-informačnej ekonomiky, na rast našej populácie na viac ako 7 miliárd a na transformáciu biogeochemických cyklov a biodiverzity zeme. Toto rýchle vypúšťanie zásob organickej energie na Zemi podporuje ľudskú nadvládu nad biosférou, vrátane premeny prirodzených biotopov na poľnohospodárske polia a výslednej straty pôvodných druhov, emisií oxidu uhličitého a výslednej zmeny klímy a hladiny morí a využívania doplnkové zdroje jadrovej, vodnej, veternej a slnečnej energie. Termodynamické zákony, ktorými sa riadi prúdový náboj a rýchle vybíjanie zemskej batérie, sú univerzálne a absolútne, Zem je len dočasne v perspektíve kvantifikovateľnej vzdialenosti od termodynamickej rovnováhy vesmíru. Hoci táto vzdialenosť od rovnováhy zahŕňa všetky typy energie, pre človeka je najdôležitejšia zásoba živej biomasy. S rýchlym vyčerpaním tejto chemickej energie sa Zem posúva späť k nehostinnej rovnováhe vesmíru so zásadnými dôsledkami pre biosféru a ľudstvo. Pretože neexistuje žiadna náhradná alebo náhradná energia pre živú biomasu, zostávajúca vzdialenosť od rovnováhy, ktorá bude potrebná na podporu ľudského života, nie je známa.


Význam biogeochemického cyklu pre ekosystém

Na úrovni ekosystémov vykonávajú biogeochemické cykly rôzne funkcie.

Počas proces dusíkového cykluAtmosférický dusík sa transformuje na dusičnany a iné chemické formy pomocou baktérií viažucich dusík.

Počas hydrologického alebo vodného cyklu dochádza k premene molekúl vody z jedného skupenstva hmoty do druhého. Vodný cyklus zahŕňa rôzne procesy, ako je odparovanie, kondenzácia, topenie ľadu, sublimácia, zrážky atď. Pomocou vodného cyklu sa voda z rôznych zdrojov vrátane zamrznutej vody, oceánskej vody a podzemnej vody recykluje a uvoľňuje späť. do atmosféry procesom evapotranspirácie, ktorý používa mnoho živých druhov.

Cyklus kyslíka a cyklus oxidu uhličitého sú najdôležitejší cyklus spomedzi ostatných biogeochemických cyklov, pretože pomáhajú pri prežití životov na planéte Zem. Atmosférický oxid uhličitý je jediným zdrojom uhlíka a je jedinou základnou zložkou všetkých organických zlúčenín.

Podľa diagram uhlíkového cykluJe zrejmé, že všetky suchozemské rastliny využívajú dostupný atmosférický oxid uhličitý ako zdroj uhlíka na fotosyntézu uvoľňovaním kyslíka, ktorý všetky zvieratá a ľudia opätovne používajú počas aeróbneho procesu dýchania.

Toto boli stručné informácie o tom, prečo je biogeochemický cyklus pre ekosystém dôležitý? Ak chcete získať ďalšie informácie o rôznych biogeochemických cykloch a ich význame pre ekosystém, študenti môžu navštíviť náš web BYJU’S a tiež si vychutnať sledovanie rôznych pútavých videí súvisiacich s biológiou prihlásením sa na odber našich kanálov YouTube.


Príklady biosféry

Biosféru tvoria živé organizmy a fyzické prostredie. Fyzické prostredie obsahuje neživé zložky, ako je skalnatá látka zemskej kôry, voda, svetlo a atmosférický plyn.

Všetky formy života v biosfére sú kategorizované do rôznych vrstiev zložitosti. Vrstvy siahajú od jednotlivého organizmu cez populácie až po ekosystémy. Ekosystém zahŕňa všetky živé veci v danej oblasti a všetky neživé zložky tejto oblasti.

Ekosystémy je možné rozdeliť na niekoľko veľkých biomov. Každý biom sa vyznačuje špecifickým typom geografie, podnebia a vegetácie. Medzi príklady biomov v biosfére patria:


Zmena klímy a strata biodiverzity

Súčasné klimatické zmeny a strata biodiverzity nie sú ojedinelými javmi, ale príznakmi masívnej expanzie ľudského rozmeru do antropocénu. Klimatický systém zohráva ústrednú úlohu pre život na Zemi. Stanovuje hranicu našich životných podmienok. Klimatický systém je neoddeliteľnou súčasťou všetkých ostatných zložiek zemského systému, a to prostredníctvom výmeny tepla v oceáne, dynamiky albedo ľadových plátov, prepadov uhlíka v suchozemských ekosystémoch, cyklov živín a znečisťujúcich látok a podnecovania klímy prostredníctvom tokov evapotranspirácie v hydrologickom cykle. a skleníkových znečisťujúcich látok. Spoločne sa tieto interakcie v systéme Zeme vzájomne ovplyvňujú s výmenou tepla zo Slnka a spätným tokom späť do vesmíru, ale tiež významným spôsobom so spätnými väzbami biosféry a klímy, ktoré buď zmierňujú alebo zosilňujú globálne otepľovanie. Tieto globálne dynamiky interagujú s regionálnymi environmentálnymi systémami (ako ENSO alebo monzúnový systém), ktoré majú vrodené vzorce klimatickej variability a tiež navzájom interagujú prostredníctvom telefónnych prepojení (Steffen et al. 2020). Živé organizmy ekosystémov planéty zohrávajú významnú úlohu v tejto komplexnej dynamike (Mace et al. 2014).

Globálne otepľovanie spôsobené ľuďmi teraz mení kapacitu oceánu, lesov a ďalších ekosystémov tým, že zachytáva asi polovicu CO2 emisie, ako aj ukladanie veľkého množstva skleníkových plynov (GHG) do pôd a rašelinísk (Steffen et al. 2018). Zvýšené emisie skleníkových plynov u ľudí spôsobujú vážne klimatické šoky a extrémy už pri oteplení o 1,2 ° v porovnaní s predindustriálnou úrovňou (WMO 2020). Okrem toho ľudská homogenizácia a zjednodušenie krajiny a morských oblastí spôsobuje stratu odolnosti biosféry s následnou eróziou úlohy štruktúry prírody pri vytváraní ekosystémových služieb (Diaz et al. 2018) a slúži ako poistka proti šokom a prekvapeniam a prevráteniu. body a posuny režimu (Nyström et al. 2019).

Klimatické zmeny - silnejšie a rýchlejšie, ako sa predpokladalo

Zem osciluje medzi chladnejšími a teplejšími obdobiami už milión rokov (celý pleistocén), ale priemerná priemerná teplota nikdy neprekročila 2 ° C (interglaciálne) nad alebo 6 ° C pod (hlboká doba ľadová) predindustriálnu teplotu na Zem (14 ° C), čo odráža dôležitosť spätnej väzby od živej biosféry v rámci regulácie teplotnej dynamiky Zeme (Willeit et al. 2019) (obr. 3b).

Epocha holocénu a odolnosť Zeme. A) Údaje o ľadovom jadre Vostok, Antarktída, za posledných 100 000 rokov vo vzťahu k migrácii ľudí a civilizácii. Červený kruh označuje posledných 11 000 rokov ústretovej holocénnej epochy. B) Globálna teplota za posledné 3 milióny rokov oscilujúca v rozmedzí + 2 °C a -6 °C v porovnaní s predindustriálnou teplotou (čiara 0). Pozorovania z proxy údajov ľadového jadra a stromového prstenca v čiernej farbe a modelovania vedú k modrej interakcii medzi biosférou a širším systémom Zeme. Dôkazy naznačujú, že súčasné úrovne antropogénneho otepľovania vytlačili zemský systém z holocénnych klimatických podmienok do antropocénu. Existuje stále väčšia zhoda v názore, že tlačenie systému Zeme na otepľovanie o viac ako 2 ° C v porovnaní s predindustriálnymi úrovňami predstavuje pre súčasné spoločnosti neznámy terén a predstavuje hrozbu pre civilizáciu (Steffen et al. 2018). Obrázok 3A od W. Steffena, zdroj a údaje od Petit et al. (1999) a Oppenheimer (2004). Obrázok 3B upravený podľa Willeita a kol., Sci. Adv. 2019 5 : eaav7337. © Autori, niektoré práva vyhradené výhradným držiteľom licencie AAAS. Distribuované pod licenciou CC BY 4.0

Globálne otepľovanie spôsobené ľudskou činnosťou nemá obdobu. Pre 98 % povrchu planéty sa najteplejšie obdobie za posledných 2000 rokov vyskytlo koncom dvadsiateho storočia (Neukom et al. 2019) a neustále sa zvyšovalo do dvadsiateho prvého storočia, pričom priemerná globálna teplota v rokoch 2015–2020 bola najteplejšie zo všetkých ekvivalentných zaznamenaných období (WMO 2020). Už teraz pri oteplení o 1,2 ° C v porovnaní s predindustriálnymi úrovňami sa zdá, že sa sťahujeme z ústretového holocénneho prostredia, ktoré umožnilo rozvoj poľnohospodárstva a komplexných ľudských spoločností (Steffen et al. 2018) (obr. 3a). Už v priebehu nasledujúcich 50 rokov sa predpokladá, že 1 až 3 miliardy ľudí zažije životné podmienky, ktoré sú mimo klimatických podmienok, ktoré ľudstvu dobre slúžili za posledných 6000 rokov (Xu et al. 2020).

V súčasnosti približne 55 % globálnych antropogénnych emisií spôsobujúcich globálne otepľovanie pochádza z výroby energie a jej využitia v budovách a doprave. Zvyšných 45 % pochádza z ľudských emisií, ktoré vznikajú pri správe pôdy a výrobe budov, vozidiel, elektroniky, odevov, potravín, obalov a iných tovarov a materiálov (Ellen MacArthur Foundation 2019). Samotný potravinový systém tvorí asi 25% emisií (Mbow et al. 2019). Zmena využívania pôdy spôsobená ľuďmi prostredníctvom poľnohospodárstva, lesného hospodárstva a ďalších aktivít (Lambin a Meyfroidt 2011) spôsobuje asi 14% emisií (Friedlingstein et al. 2020). Mestá predstavujú asi 70% CO2 emisie z konečného využívania energie a 100 mestských oblastí s najväčšími emisiami, ktoré predstavujú 18% globálnej uhlíkovej stopy (Seto et al. 2014 Moran et al. 2018). Asi 70% priemyselných emisií skleníkových plynov je spojených so 100 spoločnosťami vyrábajúcimi fosílne palivá (Griffin a Hede 2017). Spolu 10 krajín s najlepšími emisiami predstavuje tri štvrtiny globálnych emisií skleníkových plynov, zatiaľ čo 100 krajín s najnižšou spotrebou predstavuje iba 3,5% (WRI 2020). V dôsledku pandémie globálny fosílny CO2 emisie v roku 2020 klesli približne o 7 % v porovnaní s rokom 2019 (Friedlingstein et al. 2020).

Vplyvy klimatických zmien postihujú ľudí ťažšie a skôr, ako sa predpokladalo pred desaťročím (Diffenbaugh 2020). Platí to najmä pre extrémne udalosti, ako sú vlny horúčav, suchá, požiare, extrémne zrážky, povodne, búrky a zmeny v ich frekvencii, veľkosti a trvaní. Distribúcia a dopady extrémnych udalostí sú často špecifické pre daný región (Turco et al. 2018 Yin et al. 2018). Európa napríklad zažila od roku 2000 niekoľko extrémnych horúčav a počet horúčav, silných lejakov a veľkých hurikánov a sila týchto udalostí v USA vzrástli. Riziko požiarov v Austrálii sa od roku 1900 zvýšilo najmenej o 30% v dôsledku antropogénnych klimatických zmien (van Oldenborgh et al. 2020). Nedávne roky opakovaných požiarov v západných USA a Kanade mali zničujúce účinky (McWethy et al. 2019). Extrémne udalosti majú potenciál rozšíriť existujúce nerovnosti v rámci krajín a regiónov a medzi nimi (UNDP 2019). Najmä synchrónne extrémy sú rizikové v globálne prepojenom svete a môžu spôsobiť narušenie globálnej produkcie potravín (Cottrell et al. 2019 Gaupp et al. 2020). Pandémie, ako je prepuknutie ochorenia COVID-19 a súvisiace zdravotné reakcie, sa prelínajú s klimatickými rizikami a zhoršujú ich hospodárska kríza a dlhodobé sociálno-ekonomické a rasové rozdiely v rámci krajín aj medzi regiónmi (Phillips et al. 2020).

Niektoré z týchto zmien budú prebiehať nepretržite a postupne v priebehu času, zatiaľ čo iné majú podobu náhlejšej a prekvapivejšej zmeny (Cumming a Peterson 2017). Niektoré sú navyše do istej miery predvídateľné, iné neistejšie a nečakanejšie. Analýza rozsiahlej databázy posunov sociálno-ekologického režimu (veľké posuny v štruktúre a funkcii sociálno-ekologických systémov, prechody, ktoré môžu mať zásadný vplyv na ľudské ekonomiky a spoločnosti), naznačuje, že v prepojenom svete môže jedna zmena viesť k iný, alebo že udalosti sa môžu vyskytovať súčasne, pretože jednoducho zdieľajú rovnaký ovládač (Rocha et al. 2018). Rozsiahle prechody sa môžu rozvinúť, keď sú série prepojených prvkov blízko bodu zlomu, čo uľahčuje jednému prechodu spustiť ostatné ako reťazová reakcia alebo dominový efekt (Scheffer et al. 2012 Lenton et al. 2019) .

So zvýšeným otepľovaním ľudstvo riskuje, že sa odkloní od ľadovcovo-interglaciálnej dynamiky za posledných 2,6 milióna rokov (Burke et al. 2018). Ak snahy o obmedzenie emisií zlyhajú, očakáva sa, že globálna priemerná teplota do roku 2100 vzrastie o 3–5 °C (IPCC 2014) v porovnaní s predindustriálnymi úrovňami. Aj keď sa v hlbokej geologickej dobe vyskytli vyššie globálne teploty, život v biosfére s priemernou ročnou globálnou teplotou presahujúcou 2 ° C predindustriálneho priemeru (obr. 3) je pre ľudstvo do značnej miery neznámym terénom a pre súčasnú spoločnosť určite novým terénom.

Súhra podnebia a biosféry

Vzťah medzi klímou a biosférou sa ľudskou činnosťou hlboko mení a pretvára. Celkové množstvo uhlíka uloženého v suchozemských ekosystémoch je obrovské, takmer 60 -krát väčšie ako súčasné ročné emisie globálnych skleníkových plynov (CO2 ekvivalenty, 2017) u ľudí a z veľkej časti asi 70% (1 500 - 2 400 Gt C) nachádzajúcich sa v pôde (Ciais et al. 2013). Oceán má oveľa väčšiu zásobu uhlíka, približne 38 000 Gt uhlíka (Houghton 2007). Pozemské a morské ekosystémy doteraz slúžili ako dôležité záchytky oxidu uhličitého, a tým významne prispievajú k stabilizácii klímy. Pri súčasnej globálnej priemernej teplote oceán absorbuje asi 25% ročných emisií uhlíka (Gruber et al. 2019) a absorbuje viac ako 90% dodatočného tepla generovaného týmito emisiami. Pozemné ekosystémy, ako sú lesy, mokrade a trávnaté plochy, viažu na seba oxid uhličitý prostredníctvom rastu a vo všetkých prípadoch zachytávajú takmer 30% antropogénneho CO2 emisií (Global Carbon Project 2019).

Stabilizácia klímy v biosfére je kritickou ekosystémovou službou alebo službou systému Zeme, ktorú nemožno považovať za samozrejmosť. Nedávny výskum ukázal, že nielen zmena využívania pôdy, ale aj klimatické vplyvy, ako sú extrémne udalosti a teplotné zmeny, stále viac ohrozujú zachytávače uhlíka. Napríklad obrovské požiare na Borneu v roku 1997 uvoľnili v tom čase ekvivalent 13–40% priemerných ročných globálnych emisií uhlíka z fosílnych palív (Page et al. 2002 Folke et al. 2011). Ničivé lesné požiare v roku 2019 v Austrálii, Indonézii a Amazónii vyvolali emisie zodpovedajúce takmer 40 % ročného globálneho zachytávania uhlíka na súši a v oceáne (www.globalfiredata.org).

Systém Zeme obsahuje niekoľko biofyzikálnych podsystémov, ktoré môžu existovať vo viacerých stavoch a ktoré prispievajú k regulácii stavu planéty ako celku (Steffen et al. 2018). Tieto takzvané sklápacie prvky alebo spiace obry (obr. 4) boli identifikované ako rozhodujúce pri udržiavaní planéty v priaznivých podmienkach podobných holocénu. V súčasnosti ich ohrozuje globálne otepľovanie a ľudské činy, ktoré môžu ohroziť spustenie samo-posilňujúcich spätných väzieb a kaskádových efektov, ktoré by mohli posunúť systém Zeme k planetárnemu prahu, ktorý by v prípade prekročenia mohol zabrániť stabilizácii klímy pri prechodnom globálnom otepľovaní a spôsobiť eskaláciu zmena klímy na ceste „skleníkovej zeme“, aj keď sú znížené ľudské emisie (Steffen et al. 2018). Pozorovania zistili, že deväť z týchto známych spiacich obrov, považovaných za primerane stabilných, v súčasnosti prechádza rozsiahlymi zmenami už pri súčasnej úrovni otepľovania, pričom môžu prísť aj domino efekty (Lenton et al. 2019).

Sklápanie prvkov ústredných pri regulácii stavu planéty a identifikácia interakcií medzi nimi, ktoré môžu pre ľudstvo spôsobiť vážne kaskádové efekty a dokonca ohroziť stabilitu planéty (na základe Steffen et al. 2018 Lenton et al. 2019). Okrem toho okysľovanie oceánov, deoxygenácia, tropické cyklóny, vlny horúčav v oceánoch a stúpanie hladiny mora sú výzvou pre ľudský blahobyt (Pörtner et al. 2019)

Význam výzvy udržať globálne otepľovanie v súlade s parížskym cieľom v oblasti klímy je zrejmý. V skutočnosti je táto výzva širšia ako samotná klíma. Ide o navigáciu smerom k bezpečnému prevádzkovému priestoru, ktorý závisí od udržiavania vysokej úrovne odolnosti Zeme. Postupné dolaďovanie a okrajové úpravy nebudú stačiť. Veľké transformácie smerom k spravodlivej a udržateľnej budúcnosti sú svetlou cestou vpred.

Dynamika živej biosféry a systému Zeme

Interakcie a rozmanitosť organizmov v rámci ekosystémov planéty a medzi nimi zohrávajú rozhodujúcu úlohu v koevolúcii biosféry a širšieho systému Zeme. Napríklad hlavné biomy, ako sú tropické a mierne lesy a ich biologická diverzita, vytvárajú vodnú paru, ktorá spája zrážky so vzdialenými oblasťami (Gleeson et al. 2020a, b). Takmer pätina ročných priemerných zrážok spadnutých na zem pochádza z recyklácie vlhkosti regulovanej vegetáciou, pričom na niekoľkých miestach sa takmer polovica zrážok dostáva prostredníctvom tejto ekosystémovej služby. Takéto vodné spojenia sú rozhodujúce pre polosuché regióny, ktoré sú závislé od poľnohospodárskej výroby poháňanej dažďom, a pre zásobovanie vodou veľkých miest ako Sao Paulo alebo Rio de Janeiro (Keys et al. 2016). Až 19 megamiest závisí z viac ako tretiny zásob vody na vodnej pare z pevniny, pričom táto závislosť je obzvlášť dôležitá počas suchých rokov (Keys et al. 2018). V niektorých z najväčších povodí sveta sú zrážky silnejšie ovplyvnené zmenami vo využívaní krajiny, ktoré prebiehajú mimo povodia (Wang-Erlandsson et al. 2018).

Biosféra obsahuje ekosystémy podporujúce život, ktoré poskytujú základné ekosystémové služby, ktoré sú základom blahobytu ľudí a sociálno-ekonomického rozvoja. Biosféra napríklad silne ovplyvňuje chemické a fyzikálne zloženie atmosféry a biodiverzita prispieva svojim vplyvom na vytváranie a udržiavanie pôdy, kontrolu škodcov, opeľovanie potravinárskych plodín a účasť na biogeochemických cykloch (Daily 1997). Potravinové siete oceánov, kontinentálne šelfy a ústia riek podporujú produkciu morských plodov, slúžia ako záchyt skleníkových plynov, udržiavajú kvalitu vody a chránia pred neočakávanými zmenami ekosystému z prírodných alebo antropogénnych príčin (Worm et al. 2006). Tieto služby predstavujú pre ľudstvo kritické funkcie podporujúce život (Odum 1989 Reyers a Selig 2020) a biologická diverzita hrá zásadnú úlohu v prínosoch tejto prírody pre ľudí (Diaz et al. 2018).

Biodiverzita plní zásadné úlohy v odolnosti biosféry

Organizmy nielenže existujú a konkurujú si, ale vykonávajú kritické funkcie v dynamike ekosystémov a pri vytváraní a poskytovaní sociálno-ekologickej odolnosti (Folke et al. 2004 Hooper et al. 2005 Tilman et al. 2014) (obr. 5). Odolnosť sa týka schopnosti systému vydržať so zmenami a naďalej sa vyvíjať so stále sa meniacim prostredím (Reyers et al. 2018).

Biodiverzita hrá významnú úlohu v odolnosti biosféry. Puma, Kay Pacha 2017, maľba a so súhlasom Angely Leible

Biodiverzita hrá významnú úlohu pri vyrovnávaní šokov a extrémnych udalostí a pri dynamike zmeny režimu (Folke et al. 2004). Rôznorodosť funkčných skupín a znakov druhov a populácií má zásadný význam pre integritu ekosystému a vytváranie ekosystémových služieb (Peterson et al. 1998 Hughes et al. 2007 Isbell et al. 2017). Variácie v reakciách druhov vykonávajúcich rovnakú funkciu sú rozhodujúce pre odolnosť voči otrasom alebo extrémnym udalostiam (Chapin et al. 1997). Takáto „rozmanitosť reakcií“ slúži ako poistka schopnosti ekosystémov regenerovať sa, pokračovať v rozvoji po narušení a podporovať blaho ľudí (Elmqvist et al. 2003).

Amazonský prales je toho ukážkovým príkladom. Zachovanie rozmanitosti druhov rastlín môže amazonským lesom umožniť prispôsobiť sa novým klimatickým podmienkam a chrániť kritickú funkciu zachytávača uhlíka (Sakschewski et al. 2016). Časté extrémne suchá majú potenciál destabilizovať veľké časti amazonského pralesa, najmä keď je vlhkosť podložia nízka (Singh et al. 2020), ale riziko samovoľného úbytku lesov sa znižuje so zvyšujúcou sa heterogenitou v reakcii lesných plôch na znížené množstvo zrážok (Zemp et al. 2017). Nepretržité odlesňovanie a súčasné otepľovanie však pravdepodobne posunie les k bodom zlomu so širokými dôsledkami (Hirota a kol. 2011 Staver a kol. 2011 Lovejoy a Nobre 2018). S väčšou variabilitou klímy sa tiež skracuje životnosť stromov, čo ovplyvňuje akumuláciu uhlíka a úlohu amazonského pralesa ako zachytávača uhlíka (Brienen et al. 2015). Rozsiahly presun Amazónie by mal veľký vplyv na blahobyt ďaleko mimo povodie Amazónie prostredníctvom zmien v zrážkach a regulácii klímy a prepojením s inými sklápacími prvkami v systéme Zeme (obr. 4).

Odolnosť multifunkčných ekosystémov v priestore a čase, vo vodnom aj suchozemskom prostredí, závisí od príspevku mnohých druhov a ich distribúcie, redundancie a bohatstva na multitrofických úrovniach, ktoré vykonávajú kritické funkcie v ekosystémoch a dynamike biosféry (Mori et al. 2013 Nash et al. 2016 Soliveres et al. 2016 Frei et al. 2020). Biodiverzita a odolná biosféra sú odrazom života, ktorý je neustále konfrontovaný s neistotou a neznámom. Diverzita vytvára a udržiava poistenie a udržiava systémy odolné voči meniacim sa okolnostiam (Hendershot et al. 2020).

Homogenizácia, hyperkonektivita a kritické prechody

Konverzia a degradácia biotopov spôsobila globálny pokles biodiverzity a defaunizáciu (strata zvierat spôsobená ľuďmi), čo má za následok rozsiahle kaskádové efekty v morských, suchozemských a sladkovodných ekosystémoch a zmenené funkcie a služby ekosystému (Laliberte et al. 2010 Estes et al. 2011). Za posledných 50 rokov ľudského zrýchlenia sa schopnosť prírody podporovať kvalitu života znížila v 78 % z 18 kategórií príspevkov prírody ľuďom, ktoré zvažuje Medzivládna vedecko-politická platforma pre biodiverzitu a ekosystémové služby (Diaz et al. 2018).

Veľká časť biosféry Zeme sa premenila na produkčné ekosystémy, t. j. ekosystémy zjednodušené a homogenizované na produkciu jedného alebo niekoľkých druhov, ktoré sa dajú ťažiť (Nyström et al. 2019). Urbanizácia je silou v homogenizácii a zmene biodiverzity v krajinách a morských scenériách (Seto et al. 2012b) a za posledné desaťročie predstavovali zmeny vo využívaní pôdy (Meyfroidt et al. 2018) takmer štvrtinu všetkých antropogénnych emisií skleníkových plynov (Arneth a kol. 2019).

Nárast homogenity na celom svete znamená zavedenie globálnej štandardnej ponuky potravín, ktorá je na národnej úrovni relatívne bohatá na druhy, ale na celom svete je druhovo chudobná (Khoury et al. 2014). Globálne miznú lokálne odrody a plemená domestikovaných rastlín a zvierat (Diaz et al. 2018). Intenzifikácia využívania pôdy homogenizuje biodiverzitu v miestnych súboroch druhov na celom svete (Newbold et al. 2018) a pôsobí proti pozitívnej asociácii medzi druhovým bohatstvom a kvalitou stravy. Ovplyvňuje aj ekosystémové služby a blahobyt v krajinách s nízkymi a strednými príjmami (Lachat et al. 2018 Vang Rasmussen et al. 2018). Vo veľkej časti sveta sa viac ako polovica, až 90 % miestne prispôsobených odrôd hlavných druhov plodín (napr. pšenica a ryža) stratila v dôsledku nahradenia jednotlivými vysoko výnosnými odrodami (Heal et al. 2004).

Zjednodušenie a zintenzívnenie produkčných ekosystémov a ich úzke prepojenie s medzinárodnými trhmi priniesli globálny produkčný ekosystém, ktorý je veľmi efektívny pri dodávaní tovaru na trhy, ale je globálne homogénny, vysoko prepojený a charakterizovaný oslabenými vnútornými spätnými väzbami, ktoré maskujú alebo riedia signály strata odolnosti ekosystému voči spotrebiteľom (Nyström et al. 2019 Ortiz et al. 2021). Okrem toho sa globálna sieť obchodu s potravinami za posledných 20 rokov postupne delokalizovala v dôsledku globalizácie (to znamená, že sa znížila modularita) a ako sa zvyšuje konektivita a homogenita, šoky, ktoré boli predtým obsiahnuté v geografickej oblasti alebo sektore sa stávajú globálne nákazlivými a častejšie (Tamea et al. 2016 Tu et al. 2019 Kummu et al. 2020).

Homogenizácia znižuje odolnosť, schopnosť žiť a rozvíjať sa so zmenami a neistotou, a tým aj rozmanitosť spôsobov, akými môžu druhy, ľudia, odvetvia a inštitúcie reagovať na zmeny, ako aj ich potenciál navzájom sa funkčne dopĺňať (Biggs a kol. 2012 Grêt-Regamey a kol., 2019 Nyström a kol., 2019). Okrem toho homogénnym krajinám chýba rozmanitosť typov ekosystémov na pružnú reakciu, keď je jedna homogénna krajinná oblasť, ako napríklad produkčný les alebo plodina, zdevastovaná patogénmi alebo poklesom ekonomickej hodnoty. Takéto zjednodušenie a degradácia ekosystému navyše zvyšuje pravdepodobnosť vzniku chorôb vrátane nových vírusov (Myers a Patz 2009). Paralelne sú ľudia, miesta, kultúry a ekonomiky stále viac prepojené medzi geografickými polohami a sociálno -ekonomickými kontextmi, vďaka čomu sú ľudia a planéta prepojení vo všetkých mierkach.

Dôkazy naznačujú, že homogenizácia, zjednodušenie, zintenzívnenie, silné prepojenia, ako aj potlačenie rozptylu, zvyšujú pravdepodobnosť posunov režimu alebo kritických prechodov s prahmi a bodmi zlomu (Scheffer et al. 2012 Carpenter et al. 2015). Tieto posuny môžu interagovať a kaskádovať, čo spôsobuje zmenu vo veľmi veľkých mierkach s vážnymi dôsledkami pre blaho ľudských spoločností (Hughes et al. 2013 Rocha et al. 2018). Porovnanie súčasného rozsahu konverzie biosféry s minulými posunmi režimu v globálnom meradle naznačuje, že posun režimu biosféry v globálnom meradle je viac než pravdepodobný (Barnosky et al. 2012). Biotickým znakom každého predchádzajúceho posunu režimu biosféry bola výrazná zmena v globálnych, regionálnych a miestnych súboroch druhov (Barnosky et al. 2012).

Planetárne hranice a bezpečný operačný priestor pre ľudstvo

Je vo vlastnom záujme ľudstva vyhnúť sa tlačeniu ekosystémov alebo celého systému Zeme cez body zlomu. Hlavnou výzvou je preto zvýšiť odolnosť biosféry a usilovať sa o stabilizáciu systému Zeme a jeho biosféry v stave, v ktorom je dúfajme bezpečné, aby ľudstvo pôsobilo v rámci neho, aj keď je teplejší ako holocén, a v štáte s biosférou dominovanou ľuďmi. . Je zrejmé, že klimatický systém a biologická diverzita a funkčná integrita biosféry, ako aj ich súhra, sú základom pre kultiváciu odolného systému Zeme.

Integrita klímy a biosféry tvoria dva základné rozmery rámca Planetary Boundaries, ktorý vymedzuje stav zemského systému podobný holocénu, stav, ktorý umožnil vznik a rozkvet civilizácií (obr. 6). Odhaduje sa, že štyri z deviatich hraníc vrátane klímy a biodiverzity už boli prekročené. Rámec poskytuje pozorovanie založené na prírodných vedách, že ľudské sily už v planetárnom meradle rýchlo vytlačili zemský systém z podmienok podobných holocénu a na zrýchľujúcu sa trajektóriu antropocénu (Steffen et al. 2018).

(upravené podľa Steffena a kol. 2015). Vytlačené so súhlasom

Deväť identifikovalo planétové hranice. Zelená zóna je bezpečný prevádzkový priestor (pod hranicou), žltá predstavuje zónu neistoty (rastúce riziko) a červená zóna vysokého rizika. V týchto potenciálne nebezpečných zónach narastajúceho rizika existujú pravdepodobne kontinentálne a globálne body zlomu pre niektoré hranice, aj keď nie pre všetky. Samotná planetárna hranica leží vo vnútornom ťažkom kruhu. Navrhovaná hranica nepredstavuje bod zlomu alebo prah, ale je umiestnená pred ním, to znamená dostatočne dlho pred rizikom prekročenia kritického prahu. Cieľom tejto medzery medzi hranicou a potenciálnym prahom v nebezpečnej zóne je poskytnúť spoločnosti čas na včasné varovné signály blížiacej sa náhlej alebo rizikovej zmeny. Procesy, pre ktoré nie sú kvantifikované hranice na globálnej úrovni, sú reprezentované sivými klinmi

V posledných rokoch sa vyskytlo niekoľko snáh o ďalšie skúmanie a prehĺbenie pochopenia planetárnych hraníc a bezpečného prevádzkového priestoru pre ľudstvo. Patria sem aktualizácie o hraniciach biodiverzity, sladkovodných hraniciach, biogeochemických tokoch (Carpenter a Bennett 2011 de Vries a kol. 2013 Mace a kol. 2014 Newbold a kol. 2016 Gleeson a kol. 2020b), viaceré zmeny režimov a možné prepojenia regionálne a planetárne body zlomu (Anderies et al. 2013 Hughes et al. 2013), regionálne perspektívy rámca (Häyhä et al. 2016 O'Neill et al. 2018) a vytváranie bezpečných prevádzkových priestorov (Scheffer et al. 2015 ). Pokusy kvantifikovať interakcie medzi planetárnymi hranicami naznačujú, že kaskády a spätné väzby prevažne zosilňujú ľudské vplyvy na systém Zeme, a tým zmenšujú bezpečný operačný priestor pre ľudské činy v antropocéne (Lade et al. 2020).

Existujú aj návrhy na integráciu rámca planetárnych hraníc s ekonomickými, sociálnymi a ľudskými rozmermi (Raworth 2012 Dearing a kol. 2014 Downing a kol. 2019), ako aj na riešenie výziev v oblasti politiky a riadenia, ktoré sú s týmto prístupom spojené (Biermann a kol. 2012 Galaz a kol. 2012 Sterner a kol. 2019 Pickering a Persson 2020 Engström a kol. 2020). Globálny potravinový systém je tiež umiestnený v rámci planetárnych hraníc (Gordon et al. 2017), podobne ako v správe EAT-Lancetovej komisie o zdravej strave z udržateľných potravinových systémov pre takmer 10 miliárd ľudí do roku 2050 (Willett et al. 2019 ).

Vo svetle hlbokých výziev smerovania budúcnosti ľudských spoločností smerom k stabilizovanému stavu Zeme je zrejmé, že skromné ​​úpravy súčasných ciest spoločenského rozvoja pravdepodobne nebudú viesť ľudstvo k udržateľnej budúcnosti (Kates et al. 2012). Stabilizácia systému Zeme v bezpečnom operačnom priestore si vyžiada transformačné zmeny v mnohých dimenziách ľudských činov a vzťahov (Westley et al. 2011 Sachs et al. 2019).


Príklady biogeochemických cyklov

Planéta funguje pod prísnymi predpismi zákona o zachovaní hmoty, ktorý v zásade hovorí, že hmotu na Zemi nemožno vytvárať ani ničiť, ale iba prenášať. Preto sú biogeochemické cykly planéty mechanizmami, ktoré spôsobujú presun hmoty.

Jedinou výnimkou z tohto zavedenia novej hmoty do uzavretého systému planéty sú meteory, slnečné žiarenie a ďalšie formy trosiek z vesmíru, ktoré sa príležitostne zapracujú do hmoty planéty. Otherwise, all matter on Earth is simply moved and transformed, but is not created and is not wholly destroyed into nonexistence.

The term "biogeochemical cycle" comes from the biological, geological, and chemical processes that cause this transfer of matter to occur. Since these different cycles are naturally occurring, for the most part, they've long been considered natural cycles.

Humans have had tremendous impact on the planet's biogeochemical cycles, largely for harm. Artificial processes such as the synthesis of phosphorous into fertilizer that is then introduced into the soil have shifted some of the balance that these cycles already regulate.

1. Carbon cycle - Carbon is arguably one of the most important elements on Earth, and is necessary for life. The carbon cycle describes the process by which organisms decay into the ground, returning carbon to the soil, which then becomes bottom-layer food sources in the food chain.

2. Oxygen cycle - This cycle describes the transfer of oxygen between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, specifically in the use of oxygen by living beings in the biosphere drawn from the atmosphere, and the release of oxygen through photosynthesis.

3. Water cycle - This important biogeochemical cycle is so vital to sustainability that it is taught to students even in early elementary school. This cycle describes the accumulation of water on Earth, notably in lakes, oceans, and rivers, then the evaporation of water and the condensation of the water into clouds where it precipitates back into the bodies of water and the ground water supply.

4. Sedimentary cycles - While the previous examples were part of the gaseous cycles, the sedimentary cycles are more concerned with how elements are leeched out of the soil and rock layers, largely through the movement of water on the planet. Some of these elements are phosphorous and sulfur, but other elements accumulate or disperse in different places due to the movement of water through the water cycle or through rivers and erosion.


Bio-Geo-Chemical

Wow. Talk about a word that describes everything on Earth. The world’s cycles all fall under the big grouping of biogeochemical cycles. Let's break it down.

BIO: Biológia. Život. Living things. The biological elements of these cycles play a role in the lives of organisms. The cycles might limit the organisms of Earth or they might happen alongside, changing the environment. For example, when oxygen (O) is found in you or in a plant, it is in the biological phase of its cycle. When a substance is in this portion of a cycle, it is in a biotic phase.

GEO: Earth. Skaly. Pôda. Air. The 'geo' portions of the cycles refer to the non-living or abiotic phases. For example, oxygen cycles through many systems. When oxygen winds up in rocks as iron oxide (FeO) or a crystal, it is in the 'geo' part of its cycle.

CHEMICAL: Molecules. Reactions. Atoms. These are the chemical factors involved in the cycles. Complete molecules are not always passed from one point to the next. Chemical reactions change the molecules by building and breaking chemical bonds. These chemical interactions may be small, but they are very important.

Oxygen, for example, is included in all oxidácia reakcie. One minute oxygen might be in the air and then it is involved in rusting an iron pipe. Carbon (C) offers another important example of chemical factors involved in a cycle. Oxid uhličitý (CO2) is found in the atmosphere. It is ‘fixed’ into sugar molecules when plants go through photosynthesis. It moves from an inorganic form to an organic and biologically useful form.

Most of the cycles we discuss will involve the recyklácia of molecules and nutrients that can be used in systems over and over again. You need to remember that all cycles involve biological, geological, and chemical elements.






Cykly živín

A nutrient cycle refers to the movement and exchange of organic and inorganic matter back into the production of living matter. The process is regulated by the food web pathways previously presented, which decompose organic matter into inorganic nutrients. Nutrient cycles occur within ecosystems. Nutrient cycles that we will examine in this section include water, carbon, oxygen and nitrogen cycles.

A simple video explaining nutrient cycling:

Water cycle (ESGBD)

Over two thirds of the Earth's surface is covered by water. It forms an important component of most life forms, with up to ( ext<70>\%) of plants and animals being composed of water. Vast quantities of water cycle through Earth's atmosphere, oceans, land and biosphere. This cycling of water is called the voda alebo hydrological cyklu. The cycling of water is important in determining our weather and climate, supports plant growth and makes life possible.

Evaporation: Most water evaporates from the oceans, where water is found in highest abundance. However some evaporation also occurs from lakes, rivers, streams and following rain.

Transpirácia: Is the water loss from the surface area (particularly the stomata) of plants. Transpiration accounts for a massive ( ext<50>\%) of land-based evaporation, and ( ext<10>\%) of total evaporation.

Evapotranspirácia: The processes of evaporation and transpiration are often collectively referred to as evapotranspiration.

Kondenzácia: The process by which water vapour is converted back into liquid is called condensation. You may have observed a similar process occurring when dew drops form on a blade of grass or on cold glass. Water in the atmosphere condenses to form clouds.

Zrážky: Water returns to Earth through precipitation in the form of rain, sleet, snow or ice (hail). When rain occurs due to precipitation, most of it runs off into lakes and rivers while a significant portion of it sinks into the ground.

Infiltrácia: The process through which water sinks into the ground is known as infiltration and is determined by the soil or rock type through which water moves. During the process of sinking into the Earth's surface, water is filtered and purified. Depending on the soil type and the depth to which the water has sunk, the ground water becomes increasingly purified: the deeper the water, the cleaner it becomes.

Melting and freezing: Some water freezes and is 'locked up' in ice, such as in glaciers and ice sheets. Similarly, water sometimes melts and is returned to oceans and seas.

The processes involved in the water cycle are shown in Figure 8.21.

Figure 8.21: The water cycle.

TEACHER RESOURCES:

This page is a part of PhysicalGeography.net, an educational website maintained by Dr. Michael Powdery, a member of the Geography Department at Okanagan University in British Columbia. In addition to this excellent introduction with tables and diagrams, the site also includes a glossary of terms, additional readings, and links to outside resources.

The Georgia state office of the US Geological Survey provides a very basic and kid-oriented site to explain various aspects of the water cycle, including following a single drop of water through the cycle's main stages. US Geological Survey: The Water Cycle:

This is an animation of the water cycle

Oxygen cycle (ESGBF)

Oxygen is one of the main gases found in the air, along with nitrogen. Oxygen is re-cycled between the air and living organisms in the following ways:

  • Breathing and respiration: organisms such as animals and plants take in oxygen from the air during breathing and gaseous exchange processes. The oxygen is used for cellular respiration to release energy from organic nutrients such as glucose.
  • Fotosyntéza: during photosynthesis, plants absorb carbon dioxide from the air to synthesise sugars, and release oxygen.
  • K dispozícii je a komplementárne relationship between photosynthesis and cellular respiration in that the former produces oxygen and the latter consumes oxygen.

The oxygen cycle is shown in Figure 8.22.

Watch a video about the oxygen cycle. Focus on the first part of the video clip and the summary at the end.

Carbon cycle (ESGBG)

Carbon is the basic building block of all organické materials, and therefore, of living organisms. Most of the carbon on earth can be found in the crust. Other reservoirs of carbon include the oceans and atmosphere.

Learn more about the carbon cycle in this video:

Carbon moves from one reservoir to another by these processes:

  • Combustion: Burning of wood and fossil fuels by factory and auto emissions transfers carbon to the atmosphere as carbon dioxide.
  • Fotosyntéza: Carbon dioxide is taken up by plants during photosynthesis and is converted into energy rich organic molecules, such as glucose, which contains carbon.
  • Metabolizmus: Autotrophs convert carbon into organické molecules like fats, carbohydrates and proteins, which animals can eat.
  • Bunkové dýchanie: Animals eat plants for food, taking up the organic carbon (carbohydrates). Plants and animals break down these organic molecules during the process of cellular respiration and release energy, water and carbon dioxide. Carbon dioxide is returned to the atmosphere during gaseous exchange.
  • Precipitate: Carbon dioxide in the atmosphere can also precipitate as carbonate in ocean sediments.
  • Rozpad: Carbon dioxide gas is also released into the atmosphere during the decay of all organisms.

Fotosyntéza a gaseous exchange are the main carbon cycling processes involving living organisms. Figure 8.23 depicts the carbon cycle.

Figure 8.23: The carbon cycle.

TEACHER RESOURCES:

This is a game you can play to learn more about the carbon cycle. GAME:

Nitrogen cycle (ESGBH)

Nitrogen (N8.4: Cycles of Matter in the Biosphere - Biology,[nobr][H1toH2]

Ecological Impacts of Climate Change

13.3.2 Regulating

The biosphere plays a major role in the global carbon cycle at temporal scales ranging from annual to geological. The annual flux in atmospheric CO 2 is the uneven balance of photosynthesis and respiration between summer and winter in the northern hemisphere the existence of fossil fuels is in part a result of a longer nonequilibrium of photosynthesis and respiration in biological communities in the distant past. In between, the biosphere has absorbed a significant fraction of the carbon released by burning fossil fuels over the last two centuries. Ecological responses to climate change could affect photosynthesis and respiration and this regulating service notably, photosynthesis can be limited by higher temperatures while respiration increases. Relative to the systems discussed above, we can see changes that could be significant in tropical, boreal, and oceanic ecosystems.

In boreal ecosystems, the advance of the Arctic treeline ecotone into tundra could allow for increased storage of carbon, given that boreal forests, particularly their soils, store relatively large amounts of carbon. However, this increase in storage in the ecotone could be balanced or overwhelmed by having less-continued storage of carbon with higher respiration rates and the release of currently stored carbon (having accumulated in recent decades) in higher temperatures. Given the extensive wetlands in the boreal and Arctic regions, some of this released carbon could be in the form of methane, which has a stronger radiative trapping effect per atom of C than does CO2. Decreasing water level and increased temperature may decrease carbon sequestration in subarctic and boreal peatlands, especially in more southern latitudes ( Gorham, 1991 ). The process may also be repeated in the tropics ( Page et al., 2004 ). Mitsch and Gosselink (2007) provided a useful summary for wetlands.


Feedback Loops

Systems are managed by feedback loops, processes where the output of the system is fed back or returned to the input. There are positive and negative feedback loops that exist in almost all systems. Don’t be fooled, however, by the terms positive and negative feedback, which may imply one is good and one is bad. It is actually often the opposite that the negative feedbacks are what produces balance in the Earth System, whereas the positive feedback loops can act like a runaway train. Positive feedback loops are activities that increase the effects of the interacting parts of the system, while negative feedback loops are activities that decrease the effects of the interacting parts of the system to help maintain equilibrium.

  • Positive Feedbacks: increase in the output increase or amplify changes in the system away from its equilibrium and creates more increase in output destabilizing the system. Causes change in the same direction as the system.
    • For example, the warming of the high northern latitudes is related to the reduction of time when the surface is covered by ice or snow. The warming of the high northern latitudes is often thought of as an example of a positive feedback loop: the more ice melts, the less sunlight is reflected away, which leads to more warming, which leads to more ice melting, and so on.
    • There are also examples of negative feedbacks in our Earth System. Take for example when the Earth’s ocean surface temperature heats up, it causes more evaporation from the oceans. This additional source of moisture into the atmosphere over the oceans can lead to more low-level marine clouds. Low-level marine stratocumulus clouds are often very reflective of solar radiation, so more of these clouds can thus increase the Earth’s albedo (or solar radiation reflectivity) and thereby cool the ocean surface temperatures.

    Either way, most of these processes are completely natural however, some can and are being influenced by human activity. As responsible residents of this planet, we need to do our best to understand how our actions are affecting our home and try to prevent any runaway trains from occurring on our watch.

    Throughout changes in the Earth System, the spheres (Atmosphere, Biosphere, Cryosphere, Geosphere, and Hydrosphere) all cycle matter and energy through dynamic interactions. Instead of focusing on the one part of Earth, Earth System Scientists use other branches of science (i.e., biology, chemistry, and physics) to study the cycles that connect these systems with each other and to the Sun’s energy.

    Examples of feedbacks in Earth's climate:

    1. Clouds. Clouds have an enormous impact on Earth's climate, reflecting about one-third of the total amount of sunlight that hits the Earth's atmosphere back into space. Even small changes in cloud amount, location and type could have large consequences. A warmer climate could cause more water to be held in the atmosphere, leading to an increase in cloudiness and altering the amount of sunlight that reaches the surface of the Earth. Less heat would get absorbed, which could slow the increased warming.
    2. Zrážky. Global climate models show that precipitation will generally increase due to the increased amount of water held in a warmer atmosphere, but not in all regions. Some regions will dry out instead. Changes in precipitation patterns, such as increased water availability, may cause an increase in plant growth, which in turn could potentially removing more carbon dioxide from the atmosphere.
    3. Greening of the forests. Natural processes, such as tree growth, remove about half of human carbon dioxide emissions from the atmosphere every year. Scientists are currently studying where this carbon dioxide goes. The delicate balance between the absorption and release of carbon dioxide by the oceans and the world’s great forested regions is the subject of research by many scientists. There is some evidence that the ability of the oceans or forests to continue absorbing carbon dioxide may decline as the world warms, leading to faster accumulation in the atmosphere.
    4. Ice albedo. Ice is white and very reflective, in contrast to the ocean surface, which is dark and absorbs heat faster. As the atmosphere warms and sea ice melts, the darker ocean absorbs more heat, causes more ice to melt, and makes the Earth warmer overall. The ice-albedo feedback is a very strong positive feedback.


    Pozri si video: Биосфера. Антропогенное воздействие на биосферу (Február 2023).