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Übersicht -19.10. Einführung (cb, mh) -26.10. Motive, Konzepte, Begriffe und Definitionen (cb) - 2.11. Erdgeschichte (mh) - 9.11. Evolutionsgeschichte.

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1 Übersicht Einführung (cb, mh) Motive, Konzepte, Begriffe und Definitionen (cb) Erdgeschichte (mh) Evolutionsgeschichte (mh) Organismen und ihre Autökologie (cb) Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb) C-Kreislauf, Modelle abiotischer Systeme (mh) Populationsökologie (cb) Metapopulation und Trophiestufen (cb) Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb) Zeitliche Muster (mh) Räumliche Muster (cb) Serviceleistungen von Ökosystemen (mh) Forst-, Land-, Fischwirtschaft, Naturschutz (mh) Umweltveränderungen und Umweltschutz (cb,mh)

2 Venus Temp. 459°C CO 2 96,5% N 2 2% CH 4 0,0% O 2 0,006% Erde heute ohne Leben Temp. 15°C °C CO 2 0,035% 98% N 2 78,08% 1,9% CH 4 1,7 ppm 0,0% O 2 20,95% 0,0% Mars Temp. -53°C CO 2 96,2% N 2 2,5% CH 4 0,0% O 2 0,15%

3 Verlauf des CO 2 -Partialdrucks in der Atmosphäre

4 From: Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag (1999) Überleben des Stammbaums während der frühen Vergletscherungen

5 Phasen der Evolution I. Phase: Prokaryontische Evolution: –Überlebenskünstler –morphologisch ähnlich und konservativ –Physiologisch divers –alle biogeochemischen Kreisläufe existieren –führt zur eukaryotischen Zelle: dem universellen Baustein des höheren Lebens und damit zur II. Phase: Eukaryontische Evolution: –morphologisch divers, physiologische konservativ –Kooperation als Fortpflanzungsgemeinschaften (Art) –Entwicklungsphasen und Tod (Mitose/Meiose) –modularer Aufbau von Organismen –Effizienter Energieumsatz (Atmung)

6 Cyanobakterien: Fossil und rezent ca. 1 Mrd. Jahre alt, Fundort: Bitter Springs, Australien Cyanobakterium der Gattung Oscillatoria:

7 Eine Zunahme an Komplexität ?

8 Zusammenfassung: Erdgeschichte -Naturgeschichte setzt Randbedingungen für Biosphäre –Zunahme der Sonnenstrahlung –Abkühlung und Ausdifferenzierung der festen Materie, –SiO 2 Akkumulation in der Kontinentalkruste, –O 2 Akkumulation in der Atmosphäre -kein Wasser, kein Granit, keine Kontinente … -Auf langen Zeiträume gegenseitige Beeinflussung der Geschichte der unbelebten Teile der Erde und des Lebens

9 Zusammenfassung: Evolution Diversität des Lebens durch Evolution –Kette von physiologischen und morphologischen Innovationen, Ende-offen ? Diversität durch Entwicklung (Morphogenese) –Modular und hierarchisch –Niemals wegen Umbau geschlossen Evolution –In zwei Phasen: erst physiologisch und dann morphologisch (vor/nach kambrischer Explosion) Vernetzung von Evolutions- und Erdgeschichte –Über Anfangs- und Randbedingungen und durch –Innovationen im Innern des belebten Systeme (eingefrorene Zufälle)

10 Ko-Evolution von Biosphäre und deren unbelebter Umwelt

11 Beziehungen zwischen Erd- und Evolutions- Geschichte Alle großen Veränderung verlaufen nahezu synchron und beinhalten: Klimaänderungen Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre Umstellungen in den geochemischen Kreisläufen Auftauchen neuer Physiologien oder Baupläne Schwankung im Proterozoikum (>0.53 Ga) systematisch größer als im Phanerozoikum (<0.53 Ga) ?

12 Interaktion: Erd- und Evolutionsgeschichte Volumen des Wassers in flüssiger Phase Kontinentalkruste Granit Karbonate im Sediment Konzentration von CO 2 (Temperatur) 2. Bio! 3. Physik 1. Geophysik ? 4. Astro- & Geophysik ? Fotosynthese

13 CO 2 -Emissionen: Ein Beispiel für die Kopplung von Biosphäre und Geosphäre Bilanzierung des CO 2 Umsatzes: -Quellen, Senken, Inventuren Rekonstruktion der Geschichte der Atmosphäre -Sedimente, Eisbohrkerne, etc. Abschätzung der Wirkungen auf -das Klima (direkt und indirekt) -die Biota (direkt und indirekt) Vorhersagen und Bewertung der Wirkungen -Modelle der Vorhersage von Geosystemen -Modelle der Klassifikation, Selektion und Bewertung von Biosystemen

14 Periodizität der Bahnparameter Aus: Fischer et al. 2004

15 Klimaarchive aus Eisbohrkernen Aus: Fischer et al. 2004

16 Das Klima der letzten Jahre Aus: Nature Juni 2004

17 Ab wann beeinflusst der Mensch das Klima? Klimavariablen während der Eiszeiten Aus: Ruddiman (2003)

18 Klima- variablen im Holozän Aus: Ruddiman (2003)

19 Klima-variablen im Holozän Aus: Ruddiman (2003)

20 Der globale Umsatz von CO 2 Aus: Physics Today 9/2002

21 Kohlenstoffkreislauf heute Umsätze durch terrestrische und aquatische Ökosysteme etwa gleich groß Seit der Industrialisierung anthropogener Anstieg nachgewiesen –Missing sink Seit dem Übergang zur Landwirtschaft anthropogener Anstieg umstritten Wie sieht die Vorgeschichte des heutigen Kreislaufes auf folgenden Zeitskalen aus? –Eiszeiten –Evolutionsgeschichte –Erdgeschichte

22 Die CO 2 Flüsse in den letzten 10 Jahren Aus: Nature Waldbrände in Indonesien

23 Die CO 2 Konzentration in den letzten 1000 (50) Jahren Aus: Physics Today 9/2002

24 CO 2 Konzentration in den letzten (50) Jahren Aus: Kirchner (2002)

25 Das Verhältnis von CO 2 Konzentration und Temperatur in den letzten (50) Jahre Aus: Kirchner (2002)

26 19.14 Die CO2-Emission durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und veränderte Landnutzungspraktiken (in erster Linie Waldrodungen) im Jahre (Nach UNEP 1991)

27 Experimente zur CO 2 -Wirkung: FACE-Ringe (Free Air Carbon Enrichment) Aus:

28 Schätzungen zur weiteren Verteilung des CO 2 Anstieges Aus: Physics Today 8/2002

29 Modelle oder Experimente? Neue externe Faktoren ( CO 2 Konz.) und evt. neue Verteilung der Ressourcen (Niederschlag, Stickstoff) -Die dokumentierte (Natur- oder Nutzungs-) Geschichte liefert nichts Vergleichbares -Ist das Verständnis ausreichend für eine Vorhersage? -Oder muss man die Reaktion abwarten, um sie bewerten zu können? -Kann man das experimentell vorweg nehmen? Trennung von Fakten und Bewertung?

30 Modelle für Astro- und Geosysteme Kopernikanische Wende: -Einfache Beschreibung der Daten (Kepler 1609) Newtonsche Mechanik (1686) -Einfache Erklärung der Daten -Zustandsmodelle erlauben Vorhersagen Anwendung auf die Atmosphäre -Perspektiven der Wettervorhersage (Bjerkenes 1904) -Heutiges high-end (Kachelmann 2003) Anwendungen auf die Erde -Perspektiven der Erdvorhersage (Schellnhuber 1999) -Heutiges Wissen entspricht der low-end Wettervorhersage von 1904 ? Eine Geschichte mit Fortsetzung ?


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