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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 (mh) - 16.11. Organismen und ihre Autökologie (cb) - 23.11. Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb) - 30.11. C-Kreislauf, Modelle abiotischer Systeme (mh) - 7.12. Populationsökologie (cb) - 14.12. Metapopulation und Trophiestufen (cb) - 21.12. Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb) - 11. 1. Zeitliche Muster (mh) - 18. 1. Räumliche Muster (cb) - 25. 1. Serviceleistungen von Ökosystemen (mh) - 1. 2. Forst-, Land-, Fischwirtschaft, Naturschutz (mh) - 8.2 Umweltveränderungen und Umweltschutz (cb,mh)

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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 (mh) - 16.11. Organismen und ihre Autökologie (cb) - 23.11. Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb) - 30.11. C-Kreislauf, Modelle abiotischer

Systeme (mh)- 7.12. Populationsökologie (cb)- 14.12. Metapopulation und Trophiestufen (cb)- 21.12. Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb) - 11. 1. Zeitliche Muster (mh)- 18. 1. Räumliche Muster (cb)- 25. 1. Serviceleistungen von Ökosystemen (mh)- 1. 2. Forst-, Land-, Fischwirtschaft, Naturschutz (mh)- 8.2 Umweltveränderungen und Umweltschutz (cb,mh)

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VenusTemp. 459°CCO2 96,5%N2 2%CH4 0,0%O2 0,006%

Erde heute ohne LebenTemp. 15°C 240-340°CCO2 0,035% 98%N2 78,08% 1,9%CH4 1,7 ppm 0,0%O2 20,95% 0,0%

MarsTemp. -53°CCO2 96,2%N2 2,5%CH4 0,0%O2 0,15%

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Verlauf des CO2-Partialdrucks in der Atmosphäre

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From: Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag (1999)

Überleben des Stammbaums während der frühen Vergletscherungen

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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)

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Cyanobakterien: Fossil und rezent

ca. 1 Mrd. Jahre alt, Fundort: Bitter Springs, Australien

Cyanobakterium der Gattung Oscillatoria:

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Eine Zunahme an Komplexität ?

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Zusammenfassung: Erdgeschichte

- Naturgeschichte setzt Randbedingungen für Biosphäre– Zunahme der Sonnenstrahlung– Abkühlung und Ausdifferenzierung der festen Materie,– SiO2 Akkumulation in der Kontinentalkruste, – O2 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

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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“)

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Ko-Evolution von Biosphäre und deren unbelebter Umwelt

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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) ?

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Interaktion: Erd- und Evolutionsgeschichte

Volumen des Wassers

in flüssiger Phase

Kontinentalkruste Granit

Karbonate im Sediment

Konzentration von CO2

(Temperatur)

2. Bio!

3. Physik 1. Geophysik ?

4. Astro- &

Geophysik ?

Fotosynthese

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CO2-Emissionen: Ein Beispiel für die

Kopplung von Biosphäre und Geosphäre

• Bilanzierung des CO2 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

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Periodizität der Bahnparameter

Aus: Fischer et al. 2004

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Klimaarchive aus Eisbohrkernen

Aus: Fischer et al. 2004

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Das Klima der letzten 800.000 Jahre

Aus: Nature Juni 2004

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Ab wann beeinflusst der Mensch das Klima?

Klimavariablen während der Eiszeiten

Aus: Ruddiman (2003)

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Klima-variablen im Holozän

Aus: Ruddiman (2003)

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Klima-variablen im Holozän

Aus: Ruddiman (2003)

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Der globale Umsatz von CO2

Aus: Physics Today 9/2002

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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

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Die CO2 Flüsse in den letzten 10 Jahren

Aus: Nature 7.11.2002

Waldbrände in Indonesien

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Die CO2 Konzentration in den letzten 1000 (50) Jahren

Aus: Physics Today 9/2002

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CO2 Konzentration in den letzten 400.000 (50) Jahren

Aus: Kirchner (2002)

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Das Verhältnis von CO2 Konzentration und Temperatur in den letzten 400000 (50) Jahre

Aus: Kirchner (2002)

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19.14 Die CO2-Emission durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und veränderte Landnutzungspraktiken (in erster Linie Waldrodungen) im Jahre 1980. (Nach UNEP 1991)

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Experimente zur CO2-Wirkung: FACE-Ringe(Free Air Carbon Enrichment)

Aus: http://www.face.bnl.gov/face3.htm

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Schätzungen zur weiteren Verteilung des CO2 Anstieges

Aus: Physics Today 8/2002

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Modelle oder Experimente?

• Neue externe Faktoren ( CO2 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?

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Modelle für Astro- und Geosysteme

• Kopernikanische Wende:- Einfache Beschreibung der Daten (Kepler 1609)

• Newton‘sche 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 ?