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17.1: Energiefluss durch die Biosphäre - Biologie

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17.1: Energiefluss durch die Biosphäre

17.1: Energiefluss durch die Biosphäre - Biologie

    von Marek Roland-Mieszkowski, M.Sc., Ph.D., Digitale Aufnahmen

Darwins Evolutionstheorie [4,5,7] erklärt, wie und warum sich das Leben entwickelt hat [9,10]. Einige Aspekte dieser Theorie sind jedoch noch nicht klar [4,5,7,8,12,14,15]. Laut Darwin ermöglicht die natürliche Selektion den stärksten und geeignetsten Arten, in einer bestimmten Umgebung zu überleben [9,10]. Es bleibt zu beantworten, wie diese komplexen Systeme (Organismen) entstanden sind und wie sie ihre Präsenz auf der Erde aufrechterhalten. Es ist offensichtlich, dass die Entropie der Biosphäre kontinuierlich abnimmt (zumindest vor der industriellen Revolution und der Entwaldung). Das bedeutet, dass die Materie, die an der Bildung der Biosphäre beteiligt ist, immer organisierter (weniger zufällig) wird. Es wurde von vielen darauf hingewiesen, dass das Leben dem II. Hauptsatz der Thermodynamik zu widersprechen scheint, der besagt, dass die Entropie jedes Systems zunehmen sollte [4-7]. Es wurden mehrere Versuche unternommen, dieses auffallende Phänomen auf der Grundlage der "Theory of Complexity" zu erklären, die darauf hindeuten, dass es unentdeckte Naturgesetze gibt, die für die "Selbstorganisation" von Organismen und der Biosphäre verantwortlich sind [4-7]. Dieser Beitrag erklärt die für die Entstehung und Erhaltung des Lebens auf der Erde verantwortlichen Prinzipien und zeigt, dass bei Organismen und der Biosphäre keine Verletzung des II. Hauptsatzes der Thermodynamik vorliegt. Inhalt

Es ist allgemein anerkannt, dass die Biosphäre komplexer und organisierter oder weniger zufällig wird und dass die globale Entropie der Biosphäre aufgrund der erhöhten Organisation abnimmt. Dies scheint ein Paradox zu sein, das dem II. Hauptsatz der Thermodynamik widerspricht, der besagt, dass die Entropie eines Systems mit fortschreitender Zeit tendenziell höher wird, weil die Desorganisation zunimmt.

Abb.1. Die Biosphäre absorbiert "heiße" Photonen von der Sonne und emittiert "kalte" Photonen bei längeren Wellenlängen. Der Energie- und Entropiefluss der Sonne entspricht dem gesamten Energie- und Entropiefluss des „Circle of Life“.

Die obige Aussage gilt für ein geschlossenes System, das nicht mit der Umgebung interagiert. Die Biosphäre ist jedoch ein offenes thermodynamisches Subsystem, das Materie, Energie und Entropie mit der Umgebung (hier definiert als Rest des Universums) austauschen kann. Man kann durch 'Manipulation' von außerhalb des Systems die Entropie im Subsystem verringern. Dies ist keine Verletzung des II. Hauptsatzes der Thermodynamik, da die Entropie des Gesamtsystems (Teilsystem und äußere Umgebung) gemäß dem II. Hauptsatz der Thermodynamik zunehmen wird. Bei der Herstellung von Kleidung, Autos, chemischen Verbindungen usw. wird die Entropie des Systems verringert, da die Komponenten organisiert sind. Dies geschieht jedoch auf Kosten des Fertigungssystems (einschließlich des Menschen), dessen Entropie während dieses Prozesses zunimmt. In einem Kühlschrank wird die Entropie der Luft durch Absenken der Temperatur verringert. Dies geschieht auf Kosten einer erhöhten Entropie der Umgebung und des Kühlschranks. Daher ist ein Subsystem in der Lage, die Entropie eines anderen Subsystems zu verringern. Die Entropie des Gesamtsystems nimmt jedoch mit der Zeit zu und das Gesamtsystem folgt dem II. Hauptsatz der Thermodynamik. Mit anderen Worten, die Entropie eines Systems kann über ein anderes System manipuliert werden.

Die Biosphäre wird hier als die gesamte Materie definiert, die zum „Bauen“ lebender Organismen verwendet wird. Ein Teil davon steckt in den lebenden Organismen und ein Teil in der „Recycling“-Phase. Die Umwelt wird hier definiert als alle andere Materie auf der Erde und im Universum, einschließlich der Strahlung.

Um besser organisiert zu werden, benötigt die Biosphäre einen Zufluss von "negativer Entropie" (erstmals von E. Schrödinger erwähnt - Ref [2]) aus externen Quellen (Entropie wird aus der Biosphäre extrahiert), um dem II. Gesetz von zu entsprechen Thermodynamik. Was sind die Quellen dieser „negativen Entropie“? Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle auf der Erde. Eine weitere Quelle „natürlicher Energie“ ist die Geothermie. Die Gesamtenergiebilanz der Biosphäre ist jedoch für Sonnenenergie im Durchschnitt Null, es wird genauso viel Energie absorbiert wie freigesetzt und ist auch für die Geothermie der Erde im Durchschnitt Null, wenn die Biosphäre in a stationärer Zustand.

Abb.2. Drei thermodynamische Subsysteme Sonne, Biosphäre und Universum. Die Biosphäre extrahiert negative Entropie beim Austausch von "heißen" Photonen (Schwarzkörperstrahlung bei T= 5800 K) gegen "kalte" Photonen (Schwarzkörperstrahlung bei T=280 K). Dieser Prozess ist für die mysteriöse "Lebenskraft" verantwortlich, die sich dem II. Gesetz der Thermodynamik zu widersetzen scheint.

Was ist die Quelle der negativen Entropie? Die Energie der Sonne ist hoch organisiert und wird von Photonen getragen. Unsere Biosphäre nimmt diese Energie auf und gibt sie dann wieder an das Universum ab – die globale Energiebilanz ist Null (Abb.2). Die an die Umgebung abgegebene Energie liegt jedoch in Form von elektromagnetischer Strahlung vor, die im Durchschnitt längerwellig ist als die absorbierten Photonen (Abb. 1 und 2). Die Schwarzkörperstrahlung der Sonne (5800 K), die von der Biosphäre absorbiert wird, hat eine viel höhere Temperatur als die Schwarzkörperstrahlung der Biosphäre und der Erde (280 K), die ins Universum strömt (3 K) (Abb.2) .

Die Erklärung ist, dass die Biosphäre im stationären Zustand keine Energie akkumuliert, sondern negative Entropie akkumuliert und ihre Organisation zunimmt. Dies ist die Differenz zwischen der Entropie der absorbierten Strahlung und der emittierten Strahlung bei längeren Wellenlängen von Photonen (Abb. 1 und 2). Auf der Grundlage dieser Theorie können quantitative Berechnungen der gesamten Bilanz der "negativen Entropie" auf der Erde durchgeführt werden.

Die Sonnenkonstante für die Erde beträgt sc = 1360 W / m 2 = 1,36 GW / km 2 [1]. Angenommen, der Radius der Erde sei RE = 6.366 km, dann ist die Gesamtrate des Energieflusses (Leistung) auf der Erde gleich:

Ein Teil dieser Energie sammelt sich in der Biosphäre an, aber der größte Teil wird in Form von elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum zurückgestrahlt.

Die Temperatur der Sonnenoberfläche beträgt TS 5800 K. Angenommen, die Sonne sei ein schwarzer Körper bei der Temperatur TS = 5800 K und dass die gesamte von der Sonne auf die Erde auftreffende Energie in Form von Schwarzkörperstrahlung in den Weltraum zurückgestrahlt wird, kann gezeigt werden, dass die Erdschwarzkörpertemperatur TE ist [1]:

wo: RS 7 10 8 m - Sonnenradius, RSE 1,5 10 11 m - durchschnittlicher Abstand Sonne-Erde

Die Sonne ist die wichtigste Energiequelle für die Erde. Geothermische Energie ist vergleichsweise gering, da sich an den Polen der Erde Eiskappen gebildet haben, wo die durchschnittliche Intensität der Sonnenstrahlung gering ist.

Die sichtbare Oberfläche der Sonne trägt Energie und Entropie bei, die die Erde erreicht. Geht man davon aus, dass sich Photonen von der Sonne radial ausbreiten, dann trägt nur ein kleiner Kreis auf der Sonnenoberfläche zum Energie- und Entropiefluss von der Sonne bei. Der Radius dieses Kreises RL lässt sich aus den geometrischen Überlegungen berechnen (Abb.1):

Ergebnis (3) zeigt, dass der Energie- und Entropiefluss, der das Leben auf der Erde aufrechterhält, auf die Strahlung des schwarzen Körpers aus dem äquivalenten 'Kreis des Lebens' mit Radius RL 29 km und Temperatur T . zurückzuführen istS 5800 K. Dies ist unser 'Ofen des Lebens' - in der Tat eine begrenzte Ressource! Die menschliche Bevölkerung auf der Erde beträgt etwa 5,5 Milliarden. Daher stehen nur etwa 0,5 m 2 der Sonnenoberfläche zur Verfügung, um jedem Erdenmenschen die benötigte Energie und negative Entropie zu liefern. Dieser begrenzte Vorrat wird für die Produktion von Sauerstoff, Nahrung, Wärme, Kleidung, Wohnraum, Fahrzeugen usw. benötigt. Was ist mit anderen Arten? Es wird geschätzt, dass derzeit nur etwa 1% der Sonnenstrahlung von den photosynthetischen Organismen absorbiert wird [19]. Der Zustrom der Sonnenenergie und die negative Entropie werden unsere wachsende Bevölkerung und die wachsende individuelle Verbrauchernachfrage nicht aufrechterhalten können. Bei genauerer Betrachtung der obigen Zahlen stellt sich die Frage: Wollen wir überleben? Wollen wir ein anständiges Leben?. Die Begrenzung der Erdbevölkerung und die Senkung des individuellen Energieverbrauchs und der negativen Entropie sind für das Überleben der Biosphäre unerlässlich.

Die Entropie von Photonengas in einem Schwarzkörperhohlraum der Kelvin-Temperatur T und des Volumens V kann aus der Formel [1] berechnet werden:

Entropieflussrate dL/dt (Entropie/sec) aus "Circle of Life" kann auf Basis von Gl.(4) berechnet werden:

Nimmt man an, dass die Erdoberfläche bei der Temperatur T . Energie als schwarzer Körper abstrahltE dann ist die Entropieflussrate dE/dt (Entropie/sec) von der Erde kann analog auf der Grundlage von Gl. (4):

Ungefährer Fluss der Entropie (maximal möglicher Wert), der für die Bildung und Erhaltung des Lebens auf der Erde verantwortlich ist, ist gleich (aus Gl. (5) und Gl. 6)):

Dieser in Gleichung (7) geschätzte Einstrom der negativen Entropie (Information - Ref [20]) ist die magische "Lebenskraft", die für die Organisation von organischer und nicht-organischer Materie in komplexere Lebewesen verantwortlich ist (Abb.2). Es gibt keine magische selbstorganisierende Kraft, wie sie von einigen Forschern auf dem Gebiet der Komplexitätstheorie impliziert wird [4,5,6,7].

Der organisierende Fluss negativer Entropie entwickelt komplexere Strukturen aus organischer und nicht-organischer Materie, die wiederum aufgrund begrenzter Ressourcen in Bezug auf Raum, Materie, Energie und Entropie miteinander konkurrieren. Die natürliche Selektion, wie sie von Darwins Theorie beschrieben wird, ist ein Teil dieser Gleichung [9,10]. Ein anderer ist die negative Entropie-basierte Strukturierung von Materie.

Zum Beispiel: Ein Kind baut Strukturen aus LEGO-Blöcken (Theorie der negativen Entropie-basierten Strukturierung von Materie), ein zweites Kind wählt die besten Designs aus und wirft andere Strukturen weg (Environment and Natural Selection - Darwin), ein drittes Kind zerstört alle Strukturen ( II. Gesetz der Thermodynamik). Abhängig von der Geschwindigkeit, mit der jedes Kind arbeitet, werden verschiedene Konfigurationen (Biosphäre) in der Schachtel mit LEGO-Spielzeug (Erde) zu sehen sein.

In der "Wachstumsperiode" der Evolution des Lebens auf der Erde wird die zeitgemittelte Energieänderung (EB) und Entropie (B) der Biosphäre war:

Während dieser Anfangsphase der Evolution interagierte nur ein Teil der Sonnenstrahlung mit der Biosphäre, da nur ein Teil der Erdoberfläche von Land- und Wasserpflanzen bedeckt war. Im Laufe der Zeit wurde der lebende Teil der Biosphäre größer, komplexer und effizienter bei der Gewinnung von Energie und negativer Entropie aus Photonengas, das von der Sonne strömt.

In der "Steady-State-Periode", wenn die Evolution des Lebens auf der Erde ihre Grenzen erreicht, sollte die Energie- und Entropieänderung der Biosphäre wie folgt sein:

Die Etropie der Biosphäre ( dB /dt) ohne externen Fluss negativer Entropie ( dEINGANG/dt - Gl.(7)) steigt spontan ( dSPONTAN/dt). Dies hängt von der Komplexität und Struktur des Systems (Biosphäre) ab. Äußere "zerstörerische Kräfte" wie kosmische und andere Strahlungsarten, Umweltverschmutzung, Abholzung, Artensterben usw. sind für die induzierte Zunahme der Entropie der Biosphäre ( dINDUZIERT /dt). Die Änderungsrate der Entropie der Biosphäre beträgt daher:

Der negative Entropieeingang ( dEINGANG/dt ) muss die Zunahme der Entropie (dSPONTAN/dt + dINDUZIERT/dt) für die Entwicklung oder den Erhalt von Leben auf der Erde (Gl. (8b) und (9b)).

In Abb. 3 a) ist die Entstehung des jeweiligen Atomsystems dargestellt. Um aus dem Anfangssystem ein bestimmtes Endsystem zu bilden, sind eine gewisse minimale N-Entropie (Informationsref. [20]) und Energie erforderlich. Abhängig von der Effizienz des Prozesses (der von vielen Parametern abhängt) wird der Aufwand an N-Entropie und Energie in einem bestimmten Prozess größer sein als das theoretische Minimum. Diese Anforderungen zu ermitteln ist keine leichte Aufgabe und könnte für komplexe Systeme eher durch experimentelle als durch theoretische Schätzungen bestimmt werden. Das endgültige System könnte alles sein - lebender Organismus, Gebäude, Bauernhof, Stadt, Auto, Fernseher usw.

Abb. 3 a) Um das endgültige System zu bilden, ist eine bestimmte minimale N-Entropie (Information) und Energie erforderlich. Die spezielle verwendete N-Entropie und Energie hängt von der Effizienz des Prozesses ab. b) Um das Endsystem aufrechtzuerhalten, ist ein bestimmter Mindestfluss von N-Entropie (Information) und Energie erforderlich. Die jeweilige N-Entropie und der Energiefluss hängen von der Effizienz des Prozesses ab.

In Abb.3 b) ist die Pflege des jeweiligen Atomsystems dargestellt. Um ein bestimmtes Endsystem aufrechtzuerhalten, sind eine bestimmte minimale N-Entropie (Information - Ref. [20]) und ein bestimmter Energiefluss erforderlich. Abhängig von der Effizienz des Prozesses (die von vielen Parametern abhängt) sind N-Entropie und Energiefluss in einem bestimmten Prozess größer als das theoretische Minimum. Diese Anforderungen zu ermitteln ist keine leichte Aufgabe und könnte für komplexe Systeme eher durch experimentelle als durch theoretische Schätzungen bestimmt werden.

Die globale Schätzung des erforderlichen N-Entropie- und Energieflusses könnte für ein bestimmtes Subsystem auf der Erde oder für die ganze Erde geschätzt und mit dem verfügbaren N-Entropie- und Energiefluss für eine bestimmte Region verglichen werden. Dies könnte zu einer besseren Planung von Landwirtschaft, Aquakultur, Stadtplanung usw. beitragen. Es gibt strenge physikalische Beschränkungen, die durch die N-Entropie und den Energiefluss zur Erde auferlegt werden, die nicht verletzt werden können.

Biologische Systeme haben sich so entwickelt, dass sie dem Schwarzen Körper, der Photonenstrahlung der Sonne, effizient negative Entropie entziehen.

Das Leben auf der Erde ist in Form einer gegenseitigen Abhängigkeitspyramide organisiert (Abb. 4). An der Basis dieser Pyramide befinden sich Spezies, die photosynthetische Prozesse [11,12,13,14,15] nutzen, um basische organische Verbindungen zu synthetisieren. Negative Entropie und Energie fließt von der Sonne und wird in hochstrukturierte organische Verbindungen wie Kohlenhydrate umgewandelt [11,12,13,14,15]. Die Entropie des bei der Photosynthese verwendeten Materials wird durch die negativ-entropiegetriebene Strukturierung dieser Materie verringert. Ohne Photosynthese betreibende Organismen könnte die Biosphäre nicht existieren.

Tiere nutzen die Sonnenenergie und negative Entropie indirekt und sind daher auf photosynthetische Arten angewiesen. Bei der Verdauung und Verwertung von Bio-Lebensmitteln wird Energie und negative Entropie entzogen, um einen übergeordneten Organismus aufzubauen und zu erhalten. Verdaute Nahrung hat einen viel geringeren Energiegehalt und eine viel höhere Entropie, da sie an die Umwelt zurückgegeben wird. Daher verwenden alle Arten Energie und negative Entropie, die von der Sonne zur Erde fließen.

Abb.4. Die gegenseitige Abhängigkeit der Organismen in der Biosphäre lässt sich an der „Pyramide des Lebens“ veranschaulichen. Die Basis dieser Pyramide wird von Organismen eingenommen, die Photosynthese zur Gewinnung von Energie und negativer Entropie aus der Sonnenstrahlung nutzen. Andere Organismen nutzen Energie und negative Entropie, die in der Nahrung gespeichert sind, während des Verdauungsprozesses.

Die natürliche Selektion hilft, Arten auszuwählen, die am effektivsten im Überleben sind und Energie und negative Entropie effizient nutzen können. Die Sonne liefert die Energie und Entropie, um basische organische Verbindungen herzustellen.

Eine vom Menschen verursachte oder natürliche Veränderung der Umwelt kann die "Pyramide des Lebens" verändern. Dies könnte dazu führen, dass die Arten an der Spitze der Nahrungskette eliminiert werden, da sie von den unteren Ebenen der Pyramide abhängig sind (Abb.4). Nach jeder Störung könnte sich das Gleichgewicht der "Pyramide des Lebens" ändern und zum Aussterben einiger Arten führen. Dies könnte das Schicksal der Menschheit sein, aufgrund von menschengemachter Verschmutzung und Veränderungen im Ökosystem. Das Management von Entropieressourcen muss ernsthaft in Erwägung gezogen werden.

Die sexuelle Rekombination von genetischem Material ist ein wirksamer Weg, um genetische Informationen, die in DNA und RNA gespeichert sind, zu schützen. Dies ist eine Möglichkeit, die genetische Information nach dem II. Hauptsatz der Thermodynamik vor einer Zunahme der Entropie zu schützen.

Die Alterungsrate und die Lebensdauer einer bestimmten Art könnten in den genetischen Code programmiert werden, um das Überleben einer Art zu optimieren [3]. Dies würde erklären, warum es große Unterschiede in der Lebenserwartung verschiedener Arten gibt. Ihre Lebensdauer wurde während der Evolution optimiert, um das Überleben einer Art in einer bestimmten Nische des Ökosystems zu sichern.

Dieses Papier erklärt die fehlende Komponente, die für die Entstehung des Lebens auf der Erde verantwortlich ist. Das Konzept der negativen Entropie (erstmals eingeführt von E. Schrödinger - Ref [2]) oder Information (Shannon - Ref [20]) und die Fähigkeit der Biosphäre, diese effektiv aus der Sonnenstrahlung zu extrahieren, ist für das Leben auf der Erde sehr wichtig. Dieses Konzept war nicht in der ursprünglichen Arbeit von Darwin [9,10] enthalten, die die natürliche Selektion von Arten erklärte, aber nicht den Ursprung und die Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde.

Die vorgestellte Theorie basiert auf bekannten physikalischen Gesetzen und zeigt, dass das Leben diese Gesetze nicht verletzt, wie es vorgeschlagen wurde [4,5,6,7]. Dieses Papier liefert die Grundlage für weitere Erklärungen des Phänomens des Lebens auf der Erde oder anderen Planeten und bietet einen neuen Ausblick auf die Entwicklung komplexer negativer Entropie-getriebener Systeme.

Nach Ansicht des Autors hat diese Arbeit tiefgreifende Auswirkungen auf die Erhaltung natürlicher Ressourcen (eine davon ist die Entropie). Der Autor glaubt auch, dass die menschlichen Interaktionen mit der Umwelt und der Biosphäre sorgfältig bewertet und berücksichtigt werden müssen, um das empfindliche Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, das für die Existenz von Leben auf der Erde erforderlich ist [16,17,18,19].


Energiefluss in lebenden Systemen

Lebende Organismen müssen ständig Energie aufnehmen/aneignen, speichern und verwenden, um die Funktionen des Lebens auszuführen.

Das Einfangen/Erlangen, Speichern und Verwenden von Energie erfolgt durch zelluläre chemische Prozesse.

Zellen sind chemische Maschinen, die grundlegenden chemischen und physikalischen Naturgesetzen gehorchen.

Die Summe der chemischen Reaktionen einer Zelle heißt Stoffwechsel.

Energie ist die Fähigkeit zu arbeiten.

Arbeit ist die Übertragung von Energie von einem Körper oder Ort zu einem anderen.

Zellen verwenden katabolisch Reaktionen zur Umwandlung chemischer potentieller Energie in kinetische Energie

¨ die Hydrolyse von ATP überträgt chemische potentielle Energie (gespeicherte Energie) auf eine Proteinpumpe, um Partikel durch eine Membran zu bewegen (kinetische Energie)

Zellen verwenden anabol Reaktionen, um kinetische Energie in chemische potentielle Energie umzuwandeln

¨ Photosynthese fängt Lichtenergie ein und speichert sie als chemische potentielle Energie

Bei diesen Reaktionen wird keine Energie erzeugt oder vernichtet, sondern einfach von einem Ort zum anderen übertragen. Das ist Die Erster Hauptsatz der Thermodynamik:

„Die Gesamtenergiemenge im Universum ist konstant. Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden…“

Zellatmung und Bindungsenergien

Biologische Moleküle (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine) haben in ihren chemischen Bindungen Energie gespeichert.

Zellatmung ist der Prozess, bei dem eine Zelle diese energiehaltigen Bindungen enzymatisch bricht, um ihre Energie freizusetzen und sie zur Erfüllung einer Zellfunktion zu nutzen.

Bindungsenergie – ist ein Maß für die Stabilität einer kovalenten Bindung.

– ist gleich der minimalen Energiemenge, die erforderlich ist, um die Bindung zu lösen

– ist gleich der Energiemenge, die bei der Bildung einer Bindung freigesetzt wird

– Bindungen zwischen Reaktanten müssen gebrochen werden (Energie absorbiert)

– Bindungen zwischen Produkten bilden sich (Energie wird freigesetzt)

Potenzielle Energiediagramme

Die Energiemenge, die benötigt wird, um Reaktantenbindungen zu dehnen und zu brechen, wodurch eine Reaktion abläuft, wird als bezeichnet Aktivierungsenergie.

Sind Produktbindungen stabiler als die in den Reaktanten, wird Energie frei.

Wenn Produktbindungen weniger stabil sind als die in den Reaktionen, wurde Energie absorbiert.

Atome bilden kovalente Bindungen, um eine größere Stabilität zu erreichen. Warum laufen dann endotherme Reaktionen ab, wenn sie weniger stabile Produkte erzeugen?


Wie fließt Energie in der Biosphäre?

Energie, die durch ein System fließt, muss von irgendwoher kommen und muss irgendwo hingehen, denn es gelten zwei physikalische Gesetze.

  1. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur verändert - transformiert werden.
  2. Jedes Mal, wenn Sie eine Energieumwandlung durchführen, geht ein Teil der Startenergie als Wärme verloren.

In der Biosphäre ist die Energiequelle die Sonne, das Sonnenlicht. Dieses wird von Pflanzen (Produzenten) aufgefangen und gespeichert. Wenn Pflanzen diese Energie zum Leben und Wachsen nutzen, geben sie Wärme ab (gemäß Gesetz 2), sodass die Energie der Sonne umgewandelt wird.

Dann kommen Tiere, die Pflanzen fressen und die Nahrungsvorräte der Pflanze stehlen, diese Tiere müssen aktiver sein als Pflanzen, damit sie beim Leben und Bewegen auch Wärme abgeben. Es geht mehr von der ursprünglichen Energie der Sonne verloren (gemäß Gesetz 2).

Die Pflanzenfresser werden dann von Fleischfressern überholt, die Fleischfresser stehlen die Nahrungsvorräte der Pflanzenfresser und verwenden sie zum Leben und Bewegen und auch diese geben Wärme ab. Es geht mehr von der ursprünglichen Energie der Sonne verloren (gemäß Gesetz 2).

So können Sie sehen, dass der Prozess des Lebens als ein Energiefluss von Organismus zu Organismus angesehen werden kann, wobei diese Energie allmählich (in den Weltraum) als Wärme verloren geht. Hochwertige Energie (sichtbares Licht) direkt von der Sonne wird von Lebewesen in Energie geringer Qualität (Wärme) umgewandelt.

Das zweite Gesetz besagt, dass man Energie geringer Qualität nicht in Energie hoher Qualität umwandeln kann und dies macht den Weg der Energieumwandlung unidirektional.


Primärproduktionsarten

Weltweit quantifizieren wir die gesamte Primärproduktion, bei der es sich um organisches Material handelt, das von Primärproduzenten aus anorganischem Material gebildet wird, um die Gesamtmenge zu ermitteln, oder Bruttoprimärproduktion (BIP). Diese Produzenten verstoffwechseln (oder verwenden) einen Teil der Energie, die sie für ihr eigenes Wachstum und ihre Erhaltung gewinnen. Der Rest ist der Nettoprimärproduktion (NPP), die Menge an Energieressourcen, die den Verbrauchern im Ökosystem übrig bleiben, um sie durch Pflanzenfresser zu erwerben. Der größte Teil des globalen KKW kommt in den Weltmeeren vor, und insbesondere das größte KKW pro Flächeneinheit befindet sich in Algenbänken und Korallenriffen. Während die Produktion an Land im Vergleich zu den Ozeanen geringer ist, ist der tropische Regenwald die Gemeinde mit dem größten NPP pro Flächeneinheit.

Die globale ozeanische und terrestrische photoautotrophe Abundanz von September 1997 bis August 2000 liefert eine Schätzung der autotrophen Biomasse und dient als grober Indikator für das Primärproduktionspotenzial. (Quelle: “Seawifs global biosphere” von bereitgestellt vom SeaWiFS Project, Goddard Space Flight Center und ORBIMAGE – http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/BACKGROUND/Gallery/index.html und von en :Image:Seawifs global biosphere.jpg (Lizenziert unter Public Domain über Commons)

Der gesamte Planet kann man sich als ein riesiges Ökosystem vorstellen, das Biosphäre genannt wird, in dem Energie offen in das System ein- und ausfließt, aber die Materie innerhalb des Systems kreist.

Sehen Sie sich hier das Crash-Kurs-Video von Hank Green zu Ökosystemen zur Überprüfung an, und werfen Sie während des Anschauens einen kritischen Blick auf das Nahrungsnetz-Diagramm im Video und notieren Sie, was daran nicht stimmt.


Biosphäre

Die Biosphäre besteht aus den Teilen der Erde, in denen Leben existiert. Die Biosphäre erstreckt sich von den tiefsten Wurzelsystemen der Bäume über die dunkle Umgebung der Meeresgräben bis hin zu üppigen Regenwäldern und hohen Berggipfeln.

Geowissenschaften, Geographie, Physische Geographie

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Die Biosphäre besteht aus den Teilen der Erde, in denen Leben existiert. Die Biosphäre erstreckt sich von den tiefsten Wurzelsystemen der Bäume über die dunkle Umgebung der Meeresgräben bis hin zu üppigen Regenwäldern und hohen Berggipfeln.

Wissenschaftler beschreiben die Erde in Form von Kugeln. Die feste Oberflächenschicht der Erde ist die Lithosphäre. Die Atmosphäre ist die Luftschicht, die sich über der Lithosphäre erstreckt. Das Wasser der Erde und die Oberfläche, der Boden und die Luft bilden die Hydrosphäre.

Da Leben am Boden, in der Luft und im Wasser existiert, überlappt die Biosphäre all diese Sphären. Obwohl die Biosphäre von oben nach unten etwa 20 Kilometer (12 Meilen) misst, existiert fast alles Leben zwischen etwa 500 Metern (1.640 Fuß) unter der Meeresoberfläche und etwa 6 Kilometer (3,75 Meilen) über dem Meeresspiegel.

Ursprung der Biosphäre

Die Biosphäre existiert seit etwa 3,5 Milliarden Jahren. Die frühesten Lebensformen der Biosphäre, Prokaryoten genannt, überlebten ohne Sauerstoff. Zu den alten Prokaryoten gehörten einzellige Organismen wie Bakterien und Archaeen.

Einige Prokaryonten entwickelten einen einzigartigen chemischen Prozess. Sie konnten Sonnenlicht nutzen, um aus Wasser und Kohlendioxid Einfachzucker und Sauerstoff herzustellen, ein Prozess, der als Photosynthese bezeichnet wird. Diese photosynthetischen Organismen waren so reichlich vorhanden, dass sie die Biosphäre veränderten. Über einen langen Zeitraum hat die Atmosphäre eine Mischung aus Sauerstoff und anderen Gasen entwickelt, die neue Lebensformen ermöglichen könnte.

Die Zugabe von Sauerstoff zur Biosphäre ermöglichte die Entwicklung komplexerer Lebensformen. Es entwickelten sich Millionen verschiedener Pflanzen und anderer photosynthetischer Arten. Es haben sich Tiere entwickelt, die Pflanzen (und andere Tiere) konsumieren. Bakterien und andere Organismen haben sich entwickelt, um tote Tiere und Pflanzen zu zersetzen oder abzubauen.

Die Biosphäre profitiert von diesem Nahrungsnetz. Die Überreste abgestorbener Pflanzen und Tiere geben Nährstoffe an Boden und Meer ab. Diese Nährstoffe werden von wachsenden Pflanzen wieder aufgenommen. Dieser Austausch von Nahrung und Energie macht die Biosphäre zu einem selbsttragenden und selbstregulierenden System.

Die Biosphäre wird manchmal als ein großes Ökosystem und eine komplexe Gemeinschaft von lebenden und nicht lebenden Dingen betrachtet, die als eine einzige Einheit funktionieren. Häufiger wird die Biosphäre jedoch mit vielen Ökosystemen beschrieben.

Biosphärenreservate

Der Mensch spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Energieflusses in der Biosphäre. Manchmal jedoch stören Menschen den Fluss. In der Atmosphäre sinken beispielsweise der Sauerstoffgehalt und der Kohlendioxidgehalt steigt, wenn Menschen Wälder roden oder fossile Brennstoffe wie Kohle und Öl verbrennen. Ölverschmutzungen und Industrieabfälle bedrohen das Leben in der Hydrosphäre. Die Zukunft der Biosphäre wird davon abhängen, wie Menschen mit anderen Lebewesen innerhalb der Lebenszone interagieren.

Anfang der 1970er Jahre gründeten die Vereinten Nationen ein Projekt namens Man and the Biosphere Program (MAB), das eine nachhaltige Entwicklung fördert. Um ein funktionierendes und ausgewogenes Verhältnis zwischen Mensch und Natur herzustellen, existiert ein Netz von Biosphärenreservaten.

Derzeit gibt es weltweit 563 Biosphärenreservate. In Yangambi, Demokratische Republik Kongo, wurde das erste Biosphärenreservat gegründet. In Yangambi im fruchtbaren Kongobecken gibt es 32.000 Baumarten und endemische Arten wie Waldelefanten und Rotflussschweine. Das Biosphärenreservat Yangambi unterstützt Aktivitäten wie nachhaltige Landwirtschaft, Jagd und Bergbau.

Eines der neuesten Biosphärenreservate befindet sich in Yayu, Äthiopien. Das Gebiet ist landwirtschaftlich erschlossen. Pflanzen wie Honig, Holz und Obst werden regelmäßig angebaut. Die profitabelste und wertvollste Ressource von Yayu ist jedoch eine einheimische Pflanzenart. Kaffee arabica. Dieser Strauch ist die Quelle des Kaffees. Yayu hat die größte Quelle von Wild Kaffee arabica in der Welt.

Foto von Rosanne Atencio Sevilla, MyShot

Biosphäre 2
1991 bezog ein Team von acht Wissenschaftlern eine riesige, in sich geschlossene Forschungseinrichtung namens Biosphere 2 in Oracle, Arizona. In einer riesigen, gewächshausähnlichen Struktur hat Biosphere 2 fünf verschiedene Biome und eine funktionierende landwirtschaftliche Einrichtung geschaffen. Wissenschaftler planten, in Biosphäre 2 mit wenig Kontakt zur Außenwelt zu leben. Die Experimente in Biosphäre 2 sollten die Beziehung zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt untersuchen und herausfinden, ob der Mensch eines Tages im Weltraum leben kann.

Die Mission sollte 100 Jahre dauern, wobei zwei Wissenschaftlerteams jeweils 50 Jahre in der Einrichtung verbringen. Stattdessen schafften es zwei Teams nur vier Jahre, und die Wissenschaftler zogen 1994 aus. Obwohl die Wohnphase vorbei ist, wird in Biosphäre 2 immer noch geforscht, wobei der Schwerpunkt auf der globalen Erwärmung liegt.


In die Kühle

1971 wurde einer von uns, Eric Schneider, von zwei einfachen Fragen heimgesucht: Gibt es Gesetze, die das Verhalten ganzer Ökosysteme regeln? Wenn ja, was sind sie?

Es mag damals niemanden auf der Welt gegeben haben, für den eine Antwort auf diese Fragen sinnvoller gewesen wäre. Als Direktor des National Marine Water Quality Laboratory der Environmental Protection Agency (EPA) in Narragansett, Rhode Island, hatte Eric es sich zur Aufgabe gemacht, wissenschaftliche Daten zum Schutz der Küstengewässer und der Flussmündungen bereitzustellen. Die US-Gesetze zur Wasserqualität übertragen der EPA ausdrücklich die Verantwortung für den Schutz der menschlichen Gesundheit, der kommerziellen Fischerei und der Ökosysteme in diesen Küstengewässern. Von Eric wurde erwartet, dass er die Gesundheit von Ökosystemen ohne Definitionen der Ökosystemgesundheit und ohne angemessene Messinstrumente misst. Es war eine schwierige Aufgabe.

Bei seiner Ankunft im Jahr 1971 als neuer Direktor im EPA-Labor stellte Eric fest, dass die meisten Daten der Einrichtung aus sehr einfachen Toxizitätstests an Algen und kleinen Fischen bestanden. In einem typischen Protokoll werden Erwachsene des kleinen Köderfisches Mummichog (Fundulus heteroclitus) wurden Toxinen ausgesetzt, bis messbare Prozentsätze von ihnen starben. An Organismen wie diesen, die "gut gehalten" wurden, wurden zahlreiche Tests durchgeführt. Um es nicht zu genau zu sagen (und die EPA tat es nicht), die ausgewählten Organismen waren diejenigen, die allein in belüfteten Gurkengläsern überleben konnten. Die EPA-Experimente wurden innerhalb von 96 Stunden abgeschlossen, einer Zeitspanne von vier Tagen, die es ermöglichte, sie innerhalb einer Arbeitswoche der Regierung auf- und abzubauen. Wenn auch nicht streng wissenschaftlich, war das Protokoll bürokratisch bequem. Das Hauptproblem besteht darin, dass solche zähen Arten nicht unbedingt repräsentativ für die Gesundheit ihrer umgebenden Ökosysteme sind. Einige der widerstandsfähigsten Organismen gehören beispielsweise zu Pionierarten, die beschädigte Ökosysteme wiederbesiedeln. Solche Organismen können daher nicht Gesundheit, sondern Ökosystemkrankheit bedeuten. Zählen, wie viele Mitglieder einer vergifteten, zähen Art innerhalb von 96 Stunden in belüfteten Gurkengläsern starben: Dies war die Grundlage unserer nationalen Wasserqualitätsstandards in den 1960er und frühen 1970er Jahren.

Obwohl Erics Fachkenntnisse nicht in Biologie lag&mdash er hatte einen Doktortitel in Meeresgeologie von Columbia erworben&mdass schien ihm klar, dass die Aufgabe des Labors nicht darin bestehen sollte, nur robuste Köderfische zu schützen, die mit hohen Giftkonzentrationen dosiert sind. Vielmehr sollte es darum gehen, ganze Meeresökosysteme zu schützen. Was nütze es, überlegte er, einen Wasserqualitätsstandard für eine Fischart zu entwickeln, wenn die Organismen Sie aßen wurden bei viel niedrigeren Toxinkonzentrationen zu Tode vergiftet? Was wäre, wenn das Leben dieser harten Kerle von dem Leben schwächerer, leichter zu vergiftender Wesen abhing? Wenn das der Fall wäre, könnten die zähen Wesen heute hart sein und morgen verschwunden sein. In Wahrheit schien sehr wenig über die Verbindungen zwischen den Arten bekannt zu sein. Waren nicht Mitglieder gesunder Ökosysteme, wie glückliche Menschen, gut mit einer lebendigen, voneinander abhängigen Gemeinschaft anderer Wesen verbunden?

Als Schneider seine Kollegen nach dem Offensichtlichen fragte, warum sie nicht ganze Ökosysteme testeten, machten sie Kommentare wie: "Man kann nicht ein ganzes Ökosystem ins Labor bringen." Oder sie würden sagen: "Ein natürliches System kann man im Labor nicht nachbilden."

Dennoch taten dieselben Forscher einige Jahre später genau das: Sie untersuchten in sorgfältiger Miniaturansicht ganze Meeresökosysteme. Die verkleinerten Ökosysteme oder Mesokosmen (mittelgroße Welten), wie sie genannt wurden, waren Miniaturversionen der Narragansett Bay. Die voneinander abhängigen Systeme bestanden aus vielen repräsentativen Arten, die im Meerwasser lebten, das von außerhalb des EPA-Labors von Rhode Island in Tanks gefiltert wurde. Und sie ahmten die echten Ökosysteme der Bucht mit erstaunlicher Genauigkeit nach. Dennoch blieb es fast unmöglich, Toxizitätsexperimente in der natürlichen Umgebung durchzuführen: Verständlicherweise waren die EPA und die staatlichen Umweltschutzbehörden gegen die Verbreitung von Giftstoffen wie Quecksilber in den Ozeanen oder in natürlichen Salzwiesen, selbst für die höchsten wissenschaftlichen Zwecke . Gleichzeitig wurden „natürlich“ belastete Gebiete wie Ölverschmutzungen oder durch Quecksilber aus der Papierherstellung vergiftete Gebiete zu provisorischen Laboratorien, in denen Wissenschaftler versuchten, den Transport giftiger Stoffe und die Wiederherstellung geschädigter Ökosysteme zu messen. Um es kurz zu machen, 1971 wurde Eric klar, dass die Ökosystemtoxikologie und die Unterdisziplin der Ökologie und die Wissenschaft, die die EPA brauchte, um die Umwelt zu schützen, noch in den Kinderschuhen steckte. Und das galt für die Ökologie im Allgemeinen. Obwohl menschliche Lebensräume zunehmend gefährdet waren, musste die Wissenschaft genau verstehen, wie sie gefährdet wurden und wie sie sich erholen konnten, kaum existierte.

Seitdem hat die Ökologie große Fortschritte gemacht. Ökologen untersuchen die Wechselwirkungen, die die Verbreitung und Häufigkeit von Organismen bestimmen. Das meiste, was wir darüber wissen, stammt aus Hunderten von Jahren sorgfältiger Beobachtungen von Veränderungen in Arten, Populationen und Landschaften. Erst in den letzten 150 Jahren haben diese Beobachtungen begonnen, sich zu organisieren. Die Ökologie hat sich in viele spezialisierte Theorien verzweigt: Heute gibt es die Populations-Abundanz-Theorie, die Räuber-Beute-Theorie, die Nischentheorie, die Autekologie, die Synökologie, die Ökosystemökologie, die Mikroökologie, die Ameisenökologie, die Humanökologie, die Elefantenökologie sowie jede Menge Modellierung . Aber wo, fragte sich Eric, war die allgemeine Theorie, die das tatsächliche Verhalten des gesamten Ökosystems vorhersagen konnte? Wo war die Theorie, die sagen würde, was mit einem bestimmten Seeökosystem passieren würde, wenn seine Umgebungstemperatur um 5 °C erhöht würde? Wie wäre es, wenn dieses Ökosystem saurer würde? Was würde dann passieren? Und was würde ein anderes Ökosystem mit anderen Organismen unter den gleichen Bedingungen tun? Meereschemiker hatten herausgefunden, dass Schadstoffe wie DDT, radioaktive Elemente und Quecksilber durch das globale Ökosystem wandern und ihren ökologischen und menschlichen Tribut fordern. Aber welche Wege nahmen diese giftigen Stoffe, wie schnell bewegten sie sich und wo reicherten sich ähnliche Stoffe in natürlichen Systemen an? Eric schien es, als bräuchte die EPA wirklich eine Theorie, die den Stoff- und Energiefluss durch ganze Ökosysteme erklärt.

Vielleicht aufgrund seiner Ausbildung in den Naturwissenschaften war Eric darauf eingestellt, nach Mustern und Gesetzen zu suchen, die für alle Ökosysteme gelten könnten. Insbesondere die Untersuchungen früherer Forscher zum Energiefluss haben ihn angezogen. Könnten einfache physikalische Prinzipien der Komplexität der Biologie zugrunde liegen, von Ökosystemen bis hin zur Biosphäre? Die einschlägigen Forscher schienen zumindest zu versuchen, sich mit ganzen Ökosystemen zu befassen und nicht mit ihren Bestandteilen. Es gab ein paar Gruppen, hauptsächlich die Studenten und Doktoranden von G. Evelyn Hutchinson von der Yale University, die bedeutende Fortschritte bei der Verfolgung des Energieflusses durch und der Auswirkungen auf ganze Ökosysteme gemacht hatten. Hutchinson und seine Kollegen, zuerst beim Cold Spring Harbor Symposium on Quantitative Biology 1957 und später beim Brookhaven Symposium on Diversity and Stability in Ecological Systems, lenkten den Blick der Ökologie über einen engen Fokus auf die Verbreitung und Häufigkeit einzelner Arten hinaus. Die Erkenntnisse von Hutchinson und seinen Kollegen führten über die Quantifizierung von interagierenden Nährstoffen und deren Wirkungen hinaus. Es sollte Eric Schneider und einige andere zu der größeren Frage führen: warum Ökosysteme verhalten sich so, wie sie es tun, eine Frage, die direkt mit der faszinierenden Frage zusammenhängt&mdashsome würde die Frage der Fragen&mdashof sagen, warum (aus materieller und physikalischer Sicht) Leben existiert.

Die Antwort hatte mit Energie zu tun, und sie würde schließlich nicht nur Ökosysteme, sondern auch Organismen und nicht lebende Systeme beleuchten – das gesamte Gebiet der sogenannten Komplexitätswissenschaften. Wie Eric mit Freude und Überraschung feststellen sollte, war er nicht allein: Ein vielversprechendes Forschungsprogramm zur Verbindung von Biologie und Energiephysik war bereits im Gange. Es war, als würde man einen vergrabenen Schatz finden: In früheren theoretischen Arbeiten blieben Edelsteine ​​zurück, und die Energieflusseigenschaften einer Handvoll Ökosysteme waren bereits aufgezählt. Zu seiner großen Aufregung fand Eric heraus, dass es bereits eine junge, aber hoch entwickelte Wissenschaft der Thermodynamik gab, die sich speziell mit Energieflüssen und -transformationen in natürlichen Systemen befasst.

Schon in den Anfängen der Thermodynamik&mdashder Wissenschaft von Wärmebewegungen und Energieumwandlungen&mdashLudwig Boltzmann, einer der Begründer der Wissenschaft, hatte wichtige Dinge über das Leben zu sagen. Wissenschaftlich gesehen kann das Leben als eines von einer Klasse komplexer Systeme angesehen werden, die von Energie und ihren Transformationen beherrscht werden. Als Rückgrat des Energieflusses und der chemischen Kinetik ist die Thermodynamik entscheidend für das Verständnis des Lebens. Theoretiker, die Energieflüsse und -transformationen in der Biologie verstehen wollen, müssen der Wissenschaft der Thermodynamik in die Augen sehen, da jede theoretische Behauptung bedeutungslos ist, wenn sie nicht den thermodynamischen Prinzipien entspricht. Wie Eric lernen würde, war diese obskure Wissenschaft, die mit der Entwicklung effizienterer Dampfmaschinen begann, unbedingt erforderlich, um das Leben zu verstehen. Heute beleuchten die mit der Thermodynamik begonnenen Wissenschaften des Energieflusses, wie Organismen wachsen und sich entwickeln, über den Ursprung und die Geschichte des frühen Lebens, über die Entwicklung von Ökosystemen und wie die Menschen auf der Erde nachhaltiger leben könnten. Erics Suche nach den zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien von Ökosystemen wurde Teil einer ganz neuen Wissenschaft, der Thermodynamik der Biologie. Diese aufstrebende Wissenschaft hat nicht nur ihren Anteil an Hypothesen und Ideen hervorgebracht, sondern einige dieser Ideen wurden und werden auch durch zuvor gesammelte Ökosystemdaten bestätigt. Und eine der interessantesten Ideen dieser neuen Wissenschaft betrifft nicht nur die Organisation des Lebens durch den Energiefluss, sondern auch den materiellen Grund für seine Existenz.

Die neue Thermodynamik

Thermodynamik, die oft als langweilig und irrelevant angesehen wird, graue mathematische Einöde von Dampftabellen und geheimnisvollem Gerede, wichtig vielleicht für Labormessungen von Molekülen, für Kreationisten oder viktorianische Historiker, aber für den gewöhnlichen Wissenschaftler oder die normale Person nicht von Belang ist, stellt sich als ein äußerst faszinierendes Gebiet heraus. Sie trägt direkt zu unserem tiefsten Verständnis des Lebens und seiner Abläufe bei. Unter denen, die die Grundlagen der klassischen Thermodynamik entwickelt, geklärt und verbessert haben, sind einige der größten Namen der Wissenschaftsgeschichte: Carnot, Clausius, Boltzmann, Gibbs, Maxwell, Planck und Einstein. Aber ihre war eine Thermodynamik von Gleichgewichtssystemen&mdashSystemen, die wurden langweilig, weil sie auf die Stase zusteuerten, einen Endzustand, in dem nichts (oder zumindest nichts Interessantes) passierte. "Der Himmel ist ein Ort", singt David Byrne, "wo nie etwas passiert." Tatsächlich wurden die ersten Untersuchungen der Thermodynamik vorzeitig auf das gesamte Universum übertragen, um einen Endzustand vorauszusagen, der langweiliger ist als der Himmel, kälter als die Hölle und eine nichtmystische Apokalypse, die bedeutungsloser ist als die pessimistischste Fantasie des deprimiertsten Philosophen. Diese ausgemachte wissenschaftliche Schlussfolgerung wurde als „Hitzetod“ des Universums bezeichnet.

Ein Buch aus dem neunzehnten Jahrhundert zeigte einen weißhaarigen Mann, der mitten in der Welle mit großen Augen auf das zugefrorene Meer starrte. Eine sterbende Sonne und ein Ozean aus festem Eis: das waren die unvermeidlichen Schlussfolgerungen der großen neuen Disziplin, deren Thema es war, Energie zu gewinnen, wie man sie gewinnt, wie man sie versteht und wie man sie in Dampfmaschinen einsetzt, um die nationale Oberhand zu gewinnen. "So endet die Welt, nicht mit einem Knall, sondern mit einem Wimmern", schrieb der Dichter T. S. Eliot. Das arme Universum würde so vollständig zum Stillstand kommen, dass keine Glut oder Hoffnung übrig blieb, dass es jemals wie ein Phönix aus seiner eigenen Asche aufsteigen würde. Im Rahmen dieses letzten Urteils der Wissenschaft, dieses atomare Chaos ohne Wiedergutmachung, sah das menschliche Streben lächerlich aus&mdass der Hitzetod hier vielleicht heimliche Nahrung für die europäischen Philosophien des Existentialismus und Nihilismus und für die Ästhetik des absurden Theaters unter Schriftstellern wie als Harold Pinter und Samuel Beckett. Wie wilde Ameisen, die so leicht zertrampelt werden, war unser lächerliches Leben in ihrer Eitelkeit letztendlich lächerlich. So zivilisiert wir auch waren, so sehr wir uns auch weiterentwickeln mochten, so war es. Die Gläubigen der vergangenen Jahrhunderte, wie William Buckland, hatten der Vorsehung, mit der sich die Gottheit geruht hatte, Großbritannien mit reichlichen Kohlereserven zu versorgen, dieser energischen Quelle der industriellen Revolution und der Weltherrschaft, überschwänglich gedankt, um die englische Hegemonie mit Gottes göttlicher Gunst zu sichern . Aber spätere Köpfe mit einer eher wissenschaftlichen Ausrichtung konnten sich nicht so sicher sein. Das Leben schien der größte Unfall, eine Art kosmischer Zufall. Die gesamte Organisation, auch die der Erde, war auf dem Weg nach draußen. Das Leben würde entweder nie von Dauer sein, oder, wie die Kreationisten gerne argumentierten (und manche tun es immer noch), das Leben wurde göttlich beseelt, gestaltet und gepflegt in einem Universum, das ansonsten thermodynamisch zur unwiederbringlichen Zerstörung bestimmt war. Und die Wissenschaft&mdashThermodynamik&mdashhatte es bewiesen.

Naja, nicht so schnell. Weit davon entfernt, kosmischen Burnout vorherzusagen, zeigt die moderne Thermodynamik, wie komplexe Strukturen, lebend oder nicht, in Regionen des Universums, die dem Energiefluss ausgesetzt sind, aufgrund des Zusammenspiels der fundamentalen Kräfte des Universums (Schwerkraft, Elektromagnetismus, die schwachen und starken Kernkräfte) weder vollständig integriert noch die Gesamtmaterie des Universums bekannt, Garantien für einen Hitzetod (oder gar ein Ende) sind wissenschaftlich nicht glaubwürdig. Dieses Buch konzentriert sich darauf, wie sich die Thermodynamik in den letzten fünfzig Jahren entwickelt hat, um das Studium einer neuen Klasse thermodynamischer Systeme zu ermöglichen, die als Nichtgleichgewichtssysteme oder dissipative Systeme bekannt sind, da sie in einiger Entfernung vom Gleichgewicht existieren. Die von dieser Wissenschaft untersuchten Strukturen umfassen Gewitter, Whirlpools, komplizierte chemische Kreisläufe und Leben. Zu den Befürwortern dieser neuen, erweiterten Thermodynamik zählen Namen, die meist weniger bekannt sind als die Begründer des Feldes, wissenschaftliche Stars wie Alfred Lotka, Lars Onsager, Erwin Schrömdinger, Ilya Prigogine, George Hatsopoulos, Joseph Keenan, Joseph Kestin, Don Mikulecky und Jeffrey Wicken. Auf den Schultern dieser Giganten wurde die Thermodynamik sowohl erweitert&mdass jetzt ordentlich auf das Leben als auch auf mechanische Geräte angewendet&mdass vereinfacht. Am spannendsten ist für uns die große Vereinfachung, die wir zeigen, dass „die Natur einen Gradienten verabscheut“ (Schneider und Kay 1989, Sagan und Schneider 2000). Dieses überraschend fruchtbare Konzept, das wir im Detail vorstellen, verdichtet einen Großteil der neueren Arbeiten in der Thermodynamik.

Diese Idee, dass die Natur einen Gradienten verabscheut, einer der Schlüsselgedanken dieses Buches, ist sehr einfach: Ein Gradient ist einfach ein Unterschied (zum Beispiel in Temperatur, Druck oder chemischer Konzentration) über eine Entfernung. Die Abscheu der Natur gegenüber Gradienten führt dazu, dass sie spontan und auf spektakuläre Weise von komplexen, wachsenden Systemen eliminiert werden. Das einfache Konzept der kollabierenden Gradienten fasst die schwierige Wissenschaft der Thermodynamik zusammen, entmystifiziert die Entropie (die für das Universum so wichtig ist wie die Schwerkraft) und beleuchtet, wie alle komplexen Strukturen und Prozesse, einschließlich der des Lebens, auf natürliche Weise entstehen.

Wir kennen in einem Fall die Aufteilung der Gradienten in der Natur. Die Natur verabscheut ein Vakuum und zerdrückt spontan eine Metalldose, aus der die Luft entfernt wurde. In diesem Beispiel gleicht die Natur ohne Aufforderung oder Konstruktion die Druckdifferenz zwischen dem Niederdruck im Inneren und dem Hochdruck (vierzehn Pfund pro Quadratzoll) außerhalb der Dose aus. Aber in diesem Buch erweitern wir das Druckbeispiel erheblich. Wir zeigen, dass die Abscheu der Natur vor diesem und vielen anderen Gradienten ein Naturgesetz ist, eine unaufhaltsame Tendenz, bei der der Energiefluss zu verschiedenen natürlichen komplexen Systemen einschließlich des Lebens selbst führt. Wir zeigen die große Bedeutung dieses Gesetzes (der zweite Hauptsatz der Thermodynamik genannt) für den Ursprung, das Fortbestehen und den eventuellen Untergang komplexer natürlicher Systeme, selbst wie des Nationalstaats. Wir verfolgen die Geschichte des wissenschaftlichen Denkens über Energie und Materie dorthin, wo wir uns befinden: am Vorabend einer großen Vereinigung der Wissenschaften. Sonnenenergie erzeugt, verewigt und entwickelt neue Identitäten, von Wirbelstürmen und Blumen bis hin zu Volkswirtschaften und Regierungen, von denen viele scheinen, als wären sie von einer unsichtbaren Hand oder einem unsichtbaren Auge geplant worden.

Tatsächlich ist die Entstehung und Evolution des Lebens, so argumentieren wir, ein zyklischer Prozess, der vom Energiefluss gezeugt wird. Obwohl das Leben durch die natürliche Biotechnologie der DNA-Replikation geschützt und durch sich reproduzierende Zellen verbreitet wird, ist es die Energie, die dem evolutionären Prozess den Anstoß gibt, zu beginnen und zu bestehen. Komplexe Muster zirkulierender Materie treten in Regionen des Energieflusses auf. Leben, von seinem unscheinbaren mikroskopischen Anfang bis zu seiner möglichen interplanetaren und interstellaren Zukunft, ist eines dieser Muster.

Das Leben als Manifestation des zweiten Hauptsatzes

Die klassischen Studenten der Thermodynamik erkannten sowohl die Macht als auch die Grenzen ihrer Wissenschaft. Sie wussten, dass sie in einer Welt lebten, die von den hochgradig idealisierten Systemen völlig getrennt war, in denen maximale Entropie und Unordnung herrschten. Nirgendwo war dieser scheinbare Konflikt so dramatisch, wie wenn man die Entwicklung des Lebens mit der Vorhersage verglich, dass zufällige Prozesse zum Hitzetod des Universums führen würden. Der zweite Hauptsatz in seiner ursprünglichen Formulierung sagte voraus, dass Dinge unaufhaltsam ihre Fähigkeit verlieren, Arbeit zu verrichten, auszubrennen und zu verblassen, bis alle Zustände im oder nahe dem Gleichgewicht sind und keine Energie mehr übrig ist, um Organismen oder Maschinen zu betreiben. Aber das Leben zeigt eine entgegengesetzte, evolutionäre Tendenz der Komplexität, die mit der Zeit zunimmt.

Wie? Dies war der Kern des Paradoxons. In diesem Buch nennen wir es das Schrömldinger-Paradox nach dem Quantenphysiker, der sich zuerst auf die Notwendigkeit konzentrierte, den scheinbaren Widerstand des Lebens gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu erklären. Der zweite Hauptsatz besagt in seiner ursprünglichen Grundform, dass die Entropie (atomare oder molekulare Zufälligkeit) in jedem geschlossenen System unweigerlich zunimmt. Dennoch bewahren und entwickeln Lebewesen über Äonen hinweg exquisite atomare und molekulare Muster.

Eric Schneider hatte eine Mission begonnen, eine wissenschaftliche Suche nach biologisch-ökologischem Grundgestein. Er lernte die Energieökologen kennen und suchte nach dem ökologischen Äquivalent der Newtonschen Gesetze, dem F = ma (Kraft = Masse & mal Beschleunigung) der Physik. Wo waren die einfachen Gleichungen, wie sie den Transport in Flüssigkeiten beschreiben (die sogenannten Navier-Stokes-Gleichungen) für Ökosysteme? Gab es sie überhaupt? Zuerst schien es, als ob sie es nicht könnten. Doch die Suche nach ihnen, die in Erwin Schrömldingers berühmtem Buch von 1944 beschrieben ist, Was ist Leben? sicherlich getan. Die drei Vorlesungen, auf denen Schrömdingers Buch basierte, skizzierten zwei zukünftige Wissenschaften: die Molekularbiologie, die sich als solch eine Kraft in der Welt erwiesen hat, und die Thermodynamik der Biologie, die sich erst noch beweisen muss. Schrömldingers zweites Thema ist das Thema des vorliegenden Buches. In die Kühle sollte als eine Reise in das Herz einer aufstrebenden Wissenschaft betrachtet werden, die Leben und Physik in einer Mischung verbindet, die eines Tages so wirksam sein könnte wie die Molekularbiologie und so praktisch wie die Biotechnologie. In diesem Buch testen wir unsere "biothermodynamischen" Gedanken gegen die Daten und erweitern sie auf Wirtschaft, menschliche Gesundheit, die Nachhaltigkeit von Ökosystemen und die Möglichkeit des Lebens im Weltraum.

Am Ende werden uns mehrere philosophische Fragen aufgeworfen. An erster Stelle steht dabei die Frage nach der Existenz des Lebens. Warum Leben? Hat das Leben, wissenschaftlich betrachtet, eine Gesamtfunktion? Unsere Antwort ist ja. Ein Luftdruckgradient in der Atmosphäre, der Unterschied zwischen Hoch- und Niederdruckmassen, führt zu einem Tornado, einem komplexen Kreislaufsystem. Die Funktion des Tornados, sein Zweck, besteht darin, den Gradienten zu beseitigen. Das Leben hat einen ähnlichen natürlichen Zweck. Nur anstatt einen Druckgradienten schnell zu zerstören und dann zu verschwinden, neigt er dazu, über Jahrmilliarden den riesigen Sonnengradienten zwischen heißer Sonne und kaltem Weltraum zu reduzieren und dabei immer komplexer zu werden. Das Anwachsen des komplexen, intelligenten Lebens kann direkt auf die Wirksamkeit des Lebens als radfahrendes Materialsystem zurückgeführt werden, das in der Lage ist, Steigungen zu reduzieren. Die ursprüngliche und grundlegende Funktion des Lebens, wie auch der anderen komplexen Systeme, die wir in diesem Buch untersuchen, besteht darin, einen Umgebungsgradienten zu reduzieren.

Der Kulturkritiker C. P. Snow, der die zunehmende Kluft zwischen Wissenschaft und Kunst missbilligte, schlug vor, dass jeder gebildete Mensch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kennen sollte. Das zweite Gesetz nicht zu kennen, sagte er in seinem Zwei Kulturen und ein zweiter Blick (1969)&mdashan Frühwarnschuss auf dem sich ständig verändernden Schlachtfeld der Kulturkriege&mdash gleichbedeutend damit, ein Werk von Shakespeare nicht gelesen zu haben. Der zweite Hauptsatz ist weder ein Garant für den kosmischen Tod noch eine geheimnisvolle mathematische Gleichung, die nur Polymerchemiker interessiert. Vielmehr hilft der zweite Hauptsatz, die Entstehung und Ausarbeitung komplexer Systeme zu erklären, die durch den Energiefluss betrieben werden. Der zweite Hauptsatz lenkt unsere Aufmerksamkeit auch auf die gerichteten Prozesse, die wir in vielen Arten von sich entwickelnden komplexen Systemen sehen, einschließlich denen unserer eigenen Evolution. Kurz gesagt, die Naturphänomene, die unter der Rubrik des zweiten Hauptsatzes beschrieben werden, zerstören nicht nur, sondern erzeugen Gradienten, indem sie sie zerstören.


Wie Organismen Energie in einem Nahrungsnetz gewinnen

Alle Lebewesen benötigen Energie in der einen oder anderen Form. Energie wird von den meisten komplexen Stoffwechselwegen (normalerweise in Form von ATP) verbraucht, insbesondere von denen, die für den Aufbau großer Moleküle aus kleineren Verbindungen verantwortlich sind. Lebende Organismen wären ohne konstanten Energieeintrag nicht in der Lage, Makromoleküle (Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und komplexe Kohlenhydrate) aus ihren Monomeren aufzubauen.

Nahrungsnetzdiagramme veranschaulichen, wie Energie direkt durch Ökosysteme fließt. Sie können auch angeben, wie effizient Organismen Energie aufnehmen, verwenden und wie viel für andere Organismen des Nahrungsnetzes übrig bleibt. Energie wird von Lebewesen auf zwei Arten gewonnen: Autotrophe nutzen Licht oder chemische Energie und Heterotrophe gewinnen Energie durch den Verzehr und die Verdauung anderer lebender oder zuvor lebender Organismen.

Photosynthetische und chemosynthetische Organismen sind autotrophe Organismen, die in der Lage sind, ihre eigene Nahrung zu synthetisieren (genauer gesagt, die anorganischen Kohlenstoff als Kohlenstoffquelle verwenden können). Photosynthetische Autotrophe ( Photoautotrophe ) verwenden Sonnenlicht als Energiequelle, und chemosynthetische Autotrophe ( Chemoautotrophe ) verwenden anorganische Moleküle als Energiequelle. Autotrophe sind für die meisten Ökosysteme von entscheidender Bedeutung: Sie sind die trophische Ebene der Produzenten. Ohne diese Organismen würde anderen lebenden Organismen keine Energie zur Verfügung stehen und das Leben selbst wäre nicht möglich.

Photoautotrophe Organismen wie Pflanzen, Algen und photosynthetische Bakterien sind die Energiequelle für die meisten Ökosysteme der Welt. Diese Ökosysteme werden oft durch Beweidung und zerstörerische Nahrungsnetze beschrieben. Photoautotrophe nutzen die Sonnenenergie der Sonne, indem sie sie in chemische Energie in Form von ATP (und NADP) umwandeln. Die in ATP gespeicherte Energie wird verwendet, um komplexe organische Moleküle wie Glukose zu synthetisieren. Die Geschwindigkeit, mit der photosynthetische Produzenten Energie von der Sonne aufnehmen, wird als Bruttoprimärproduktivität bezeichnet. Allerdings steht nicht die gesamte von den Produzenten aufgenommene Energie den anderen Organismen im Nahrungsnetz zur Verfügung, da die Produzenten auch wachsen und sich vermehren müssen, was Energie verbraucht. Die Nettoprimärproduktivität ist die Energie, die in den Erzeugern verbleibt, nachdem die Atmung und der Wärmeverlust dieser Organismen berücksichtigt wurden. Die Nettoproduktivität steht dann den Primärkonsumenten auf der nächsten trophischen Ebene zur Verfügung.

Chemoautotrophe sind in erster Linie Bakterien und Archaeen, die in seltenen Ökosystemen vorkommen, in denen kein Sonnenlicht zur Verfügung steht, wie z. Viele Chemoautotrophen in hydrothermalen Quellen verwenden Schwefelwasserstoff (H2S), das als chemische Energiequelle aus den Schloten freigesetzt wird, ermöglicht es ihnen, komplexe organische Moleküle wie Glukose für ihre eigene Energie zu synthetisieren und liefert wiederum Energie an den Rest des Ökosystems.

Abbildung 6: Schwimmende Garnelen, ein paar gedrungene Hummer und Hunderte von Muscheln sind an einer hydrothermalen Quelle am Meeresgrund zu sehen. Da bis zu dieser Tiefe kein Sonnenlicht eindringt, wird das Ökosystem durch chemoautotrophe Bakterien und organisches Material, das von der Meeresoberfläche absinkt, unterstützt. Dieses Bild wurde 2006 am versunkenen NW-Vulkan Eifuku vor der Küste Japans von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) aufgenommen. Der Gipfel dieses hochaktiven Vulkans liegt 1535 m unter der Oberfläche.


Gibt es in der Biosphäre einen Energiefluss in eine Richtung?

Energie, die durch ein System fließt, muss von irgendwoher kommen und muss irgendwo hingehen, denn es gelten zwei physikalische Gesetze.

  1. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur verändert - transformiert werden.
  2. Jedes Mal, wenn Sie eine Energieumwandlung durchführen, geht ein Teil der Startenergie als Wärme verloren.

In der Biosphäre ist die Energiequelle die Sonne, das Sonnenlicht. Dieses wird von Pflanzen (Produzenten) aufgefangen und gespeichert. Wenn Pflanzen diese Energie zum Leben und Wachsen nutzen, geben sie Wärme ab (gemäß Gesetz 2), sodass die Energie der Sonne umgewandelt wird.

Dann kommen Tiere, die Pflanzen fressen und die Nahrungsvorräte der Pflanze stehlen, diese Tiere müssen aktiver sein als Pflanzen, damit sie beim Leben und Bewegen auch Wärme abgeben. Es geht mehr von der ursprünglichen Energie der Sonne verloren (gemäß Gesetz 2).

Die Pflanzenfresser werden dann von Fleischfressern überholt, die Fleischfresser stehlen die Nahrungsvorräte der Pflanzenfresser und verwenden sie zum Leben und Bewegen und auch diese geben Wärme ab. Es geht mehr von der ursprünglichen Energie der Sonne verloren (gemäß Gesetz 2).

So können Sie sehen, dass der Prozess des Lebens als ein Energiefluss von Organismus zu Organismus angesehen werden kann, wobei diese Energie allmählich (in den Weltraum) als Wärme verloren geht. Hochwertige Energie (sichtbares Licht) direkt von der Sonne wird von Lebewesen in Energie geringer Qualität (Wärme) umgewandelt.

Das zweite Gesetz besagt, dass man Energie geringer Qualität nicht in Energie hoher Qualität umwandeln kann und dies macht den Weg der Energieumwandlung unidirektional.

Ja, wenn Sie nur ökologische Systeme meinen, nein, wenn Sie sagen wollen, dass Energie von A nach B geht, bei B endet und verbraucht wird/nicht mehr vorhanden ist. Wenn dies wahr wäre, könnten wir nicht sagen, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Energie wird irgendwie umgewandelt.

In einem Ökosystem beginnt der häufigste Energiekreislauf mit der Sonne. Die Sonne liefert Energie in Form von Wärme und Licht, die von Pflanzen aufgenommen wird, um durch die Zellatmung zu gehen. Die Energie wird dann auf einen Pflanzenfresser übertragen und dann auf einen Fleischfresser. Schließlich stirbt das Tier und wird von Zersetzern chemisch abgebaut. Diese Zersetzer geben dann die Energie in Form von Verbindungen und essentiellen Nährstoffen zurück, die dann von den Pflanzen verwendet werden, während der Kreislauf von vorne beginnt.

Obwohl dieser Energiefluss für das Leben auf der Erde unerlässlich ist, ist es wichtig zu beachten, dass die Energie durch trophische Ebenen von diesem Weg abweicht. Mit anderen Worten, nicht alle Energie, die von Pflanzenfressern zu Fleischfressern geht, wird tatsächlich übertragen. An dieser Stelle könnte man sagen, dass der Energiefluss in eine Richtung verläuft – da Energie aus dem ökologischen Kreislauf verloren geht. Die Energie wird vom etablierten Zyklus abweichen und kann aufgrund von Energieverlusten Phasen bis zum Ende überspringen durch:

  1. Zellatmung
  2. Kot und andere Abfälle
  3. Unverbrauchtes organisches Material (normalerweise Fell, Nägel, Zähne, Hörner, Hufe usw. sowie das Material, das ohne Verbrauch leben und sterben wird)
  4. Wärmeabgabe an die Atmosphäre

Dies führt dazu, dass je nach Ökosystem nur etwa 5-20% der Energie zwischen den Ebenen übertragen werden, was bedeutet, dass 80-95% der Energie am Ende des Zyklus manchmal als Nährstoffe in den Boden abgegeben werden, wo er schließlich die Zyklus wieder, manchmal als Wärme, die in die Atmosphäre verloren geht.


Lektion Geh mit dem Energiefluss

Einheiten dienen als Wegweiser zu einem bestimmten Inhalt oder Themenbereich. Unter Einheiten verschachtelt sind Lektionen (in Lila) und praktische Aktivitäten (in Blau).

Beachten Sie, dass nicht alle Lektionen und Aktivitäten in einer Einheit enthalten sind, sondern als "eigenständiger" Lehrplan existieren können.

  • Biodome
    • Umgebungen und Ökosysteme
      • Bevölkerungsdichte: Wie viel Platz haben Sie?
      • Biodomes sind konstruierte Ökosysteme: Eine Mini-Welt
        • Biodomes Engineering Design Project: Lektionen 2-6
        • Geh mit dem Energiefluss
          • Haben Sie Energie? Spinnen eines Nahrungsnetzes
          • Biodomes Engineering Design Project: Lektionen 2-6
          • Gedanken pflanzen
            • Pflanzenzyklen: Photosynthese und Transpiration
            • Biodomes Engineering Design Project: Lektionen 2-6
            • Klassifizierungssysteme: Tiere und Technik
              • Biomimikry: Natürliche Designs
              • Biodomes Engineering Design Project: Lektionen 2-6
              • Aufräumen mit Zersetzern
                • Biodomes Engineering Design Project: Lektionen 2-6

                TE-Newsletter

                Abbildung 1. Eine aquatische Nahrungskette.

                Zusammenfassung

                Technische Verbindung

                Das Verständnis von Energiefluss und -übertragung ist für viele technische Anwendungen wichtig. Einige Ingenieure müssen überlegen, wie sie Wärmeverluste/-gewinne in ihren Gebäudedesigns vermeiden und nutzen können. Andere Ingenieure müssen die direkte Anwendung von Energie verstehen, um die Art des Brennstoffs zu bestimmen, der zum Betreiben wichtiger und alltäglicher Geräte und Werkzeuge verwendet wird. Da unser Wetter und unser Klima aus Wärmeübertragung und Energiefluss resultieren, müssen Ingenieure, die Sensoren und Meldegeräte entwickeln, diese Zyklen verstehen. Aus diesem Wissen entwickeln sie auch meteorologische Computermodellierungssysteme, die Informationen und Werkzeuge zur Erstellung von Wettervorhersagen und -vorhersagen generieren.

                Lernziele

                Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein:

                • Beschreiben Sie die Bedeutung des Energieflusses und der Nährstoffkreisläufe für die Erhaltung der Ökosysteme der Erde.
                • Stellen Sie den Energiefluss durch einfache Nahrungsketten und Nahrungsnetze dar.
                • Beschreiben Sie, wie Ingenieure ihr Wissen über den Energiefluss durch Systeme beim Design neuer Technologien nutzen.

                Bildungsstandards

                Jeder LehreEngineering Unterricht oder Aktivität korreliert mit einem oder mehreren K-12-Bildungsstandards für Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwesen oder Mathematik (MINT).

                Alle 100.000+ K-12 STEM-Standards abgedeckt in LehreEngineering werden gesammelt, gepflegt und verpackt von den Leistungsstandards Netzwerk (ASN), ein Projekt von D2L (www.achievementstandards.org).

                Im ASN sind Standards hierarchisch strukturiert: zuerst nach Quelle z.B., nach Bundesland innerhalb der Quelle nach Typ z.B., Naturwissenschaften oder Mathematik innerhalb des Typs nach Untertyp, dann nach Klasse, etc.

                NGSS: Wissenschaftsstandards der nächsten Generation - Wissenschaft

                5-ESS2-1. Entwickeln Sie anhand eines Beispiels ein Modell, um zu beschreiben, wie Geosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und/oder Atmosphäre interagieren. (Klasse 5)

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                5-LS2-1. Entwickeln Sie ein Modell, um die Bewegung von Materie zwischen Pflanzen, Tieren, Zersetzern und der Umwelt zu beschreiben. (Klasse 5)

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                Wissenschaftliche Erklärungen beschreiben die Mechanismen für Naturereignisse.

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                Materie kreist zwischen Luft und Boden und zwischen Pflanzen, Tieren und Mikroben, während diese Organismen leben und sterben. Organismen gewinnen Gase und Wasser aus der Umwelt und geben Abfallstoffe (gasförmig, flüssig oder fest) wieder an die Umwelt ab.

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                5-PS3-1. Verwenden Sie Modelle, um zu beschreiben, dass die Energie in der Nahrung von Tieren (die für die Körperreparatur, das Wachstum, die Bewegung und die Aufrechterhaltung der Körperwärme verwendet wird) einst Energie aus der Sonne war. (Klasse 5)

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                Nahrung liefert den Tieren die Materialien, die sie für die Reparatur und das Wachstum des Körpers benötigen, sowie die Energie, die sie für die Aufrechterhaltung der Körperwärme und für Bewegung benötigen.

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                Arbeitsblätter und Anhänge

                Mehr solche Lehrpläne

                Die Studierenden lernen den Energiefluss in Nahrungsnetzen kennen, einschließlich der Rolle der Sonne, der Erzeuger, Verbraucher und Zersetzer im Energiekreislauf. Sie modellieren ein Nahrungsnetz und erstellen anhand ihrer eigenen Zeichnungen und/oder Bilder aus Natur- oder Wildtierzeitschriften Diagramme von Nahrungsnetzen.

                Die Studierenden lernen die Pflanzenteile, Pflanzenarten und wie sie durch Photosynthese aus Sonnenlicht ihre eigene Nahrung herstellen. Sie lernen, wie Pflanzen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung einer ausgeglichenen Umwelt spielen, in der die lebenden Organismen der Erde überleben. Diese Lektion ist Teil von .

                Die Schüler werden in das Konzept der Energiekreisläufe eingeführt, indem sie den Kohlenstoffkreislauf kennenlernen. Sie lernen, wie Kohlenstoffatome den geologischen (alten) Kohlenstoffkreislauf und den biologisch-physikalischen Kohlenstoffkreislauf durchlaufen.

                Mit einem anhaltenden Fokus auf die Sonora-Wüste werden die Schüler in die Konzepte von Nahrungsketten und Nahrungsnetzen eingeführt. Sie lernen den Unterschied zwischen Erzeugern und Verbrauchern kennen und untersuchen, wie diese Organismen innerhalb ihrer Gemeinschaften als Teilnehmer an verschiedenen Nahrungsketten funktionieren.

                Vorkenntnisse erforderlich

                Einige Kenntnisse über Umgebungen und Ökosysteme, wie in Lektion 1 der Biodomes-Einheit eingeführt.

                Einführung/Motivation

                Was ist ein Umgebung? (Antwort: Eine Umwelt ist die Umgebung, in der ein Organismus lebt, einschließlich der Luft, des Wassers, der Nahrung und der Energie, die dieser Organismus zum Überleben benötigt.) Können Sie sich ein Beispiel vorstellen? (Mögliche Antworten: Berge, Baumwälder, Flusstäler, Schnee- und Wasserumgebungen sowie Umgebungen mit heißem und kaltem Klima, wie tropische Regenwälder und Tundra.) Was unterstützt Ihrer Meinung nach diese Umgebungen oder hält sie am Laufen? Was treibt die Tiere und Pflanzen an, die in der Umgebung leben und Ökosysteme haben wir gerade diskutiert? Es ist Energie! Heute werden wir lernen, wie sich Energie durch eine Umgebung oder ein Ökosystem bewegt und wie dieses Wissen uns hilft, ein besseres zu bauen Biodom.

                Warum haben Sie Ihre letzte Mahlzeit gegessen? (Viele werden sagen, sie hätten Hunger oder wollten etwas Süßes oder Salziges.) Wir wissen, dass wir essen müssen, um uns mit den Rohstoffen zu versorgen, die uns helfen, uns zu bewegen, zu wachsen und gesund zu bleiben. Unser Essen gibt uns die Energie wir müssen tägliche Aktivitäten ausführen. Kennen Sie andere Energiequellen und wofür sie verwendet werden? Zum Beispiel werden fossile Brennstoffe (Öl und Kohle) und erneuerbare Energien (Solar oder Wind) für Transport, Heizung, Kühlung und Strom verwendet. Wussten Sie, dass Energie in einem System tatsächlich herumfließt? Zum Beispiel wird die Energie in fossilen Brennstoffen in Wärme oder Strom umgewandelt, die wir brauchen, um Geräte zu betreiben oder unsere Häuser zu heizen – diese Energie wechselt von einer Form in eine andere. Genauso verhält es sich mit der Nahrung, die wir zu uns nehmen. Unser Körper nimmt die Energie aus der Nahrung und wandelt sie in Energie um, um sich zu bewegen und zu wachsen. Viele Ingenieure untersuchen, wie sich Energie durch Systeme bewegt. Haben Sie die neuesten Laufschuhe für Sportler gesehen? Ingenieure entwerfen neue Laufschuhe, indem sie untersuchen, wie die Energie von den Beinen einer Person auf den Boden wandert, auf dem sie laufen. Umweltingenieure untersuchen, wie sich Energie durch ein Ökosystem bewegt.

                Haben Sie von a gehört? Nahrungskette? Eine Nahrungskette verfolgt die Energie von Nährstoffen durch die Organismen, die sie essen (siehe Abbildung 1). Dazu gehört die Herstellung von Gemüse, Obst, Käse, Eiern oder Fleisch, das Sie zum Frühstück oder zum Mittag- oder Abendessen haben. In all diesen Lebensmitteln steckt Energie! Woher kommt die Energie in der Nahrung? Nun, die ganze Energie im Essen beginnt mit der Sonne! Mal sehen, ob wir dafür ein Beispiel zeichnen können. (Schreiben Sie eine oder mehrere der Beispiel-Nahrungsmittelketten in Abbildung 2 auf die Klassentafel oder den Overhead-Projektor.)

                Abbildung 2. Beispielhafte Nahrungsketten.

                Die Pfeile in diesen Nahrungsketten veranschaulichen die Richtung des Energieflusses – beginnend damit, dass die Sonne den Produzenten Nährstoffe liefert, die sie nutzen Photosynthese Nahrung für die Verbraucher zu werden. Was sind Produzenten und Konsumenten? EIN Produzent ist ein Organismus, der in der Lage ist, seine eigene Nahrung herzustellen, normalerweise durch Photosynthese, wie beispielsweise eine Pflanze. EIN Verbraucher ist jeder Organismus, der seine Nahrung durch den Verzehr von Produzenten oder anderen Organismen erhält. Was ich gerade an die Tafel gezeichnet habe, sind Beispiele für einfache Nahrungsketten, die zeigen, wie sich Energie von einem Ort zum anderen bewegt. EIN Nahrungsnetz ist, was passiert, wenn ein Organismus Energie aus mehr als einer Quelle bezieht, beispielsweise wenn ein Mensch Gemüse, Schinken und Käse isst. Siehe die Got Energy? Spinnen einer Nahrungsnetz-Aktivität für Schüler, um mehr über den Energiefluss in Nahrungsnetzen zu erfahren.

                Wie nutzen wir die Energie, die in der Nahrung steckt, die wir essen? Wir brauchen Energie, um uns zu bewegen, warm zu halten (wir geben die ganze Zeit Wärme ab und diese Wärmeenergie kommt aus der Nahrung, die wir essen), zu wachsen, zu denken, gesund zu bleiben und am Leben zu bleiben! Die übrig gebliebene Energie wird in unserem Körper gespeichert. Nur ein Bruchteil der Energie, die ein Pflanzenfresser oder Pflanzenfresser aus der pflanzlichen Nahrung erhält, die er frisst, wird Teil seines Körpers (seiner Masse). Die restliche Energie aus der pflanzlichen Nahrung geht als Abfall (im Kot) verloren oder wird verbraucht (zur Bewegung, zum Warmhalten oder zum Überleben). Das gleiche gilt für Fleischfresser, oder Fleischesser, und Allesfresser, Organismen, die sowohl Fleisch als auch Pflanzen essen. Wenn ein Fleischfresser oder Allesfresser ein anderes Tier frisst, wird nur ein Bruchteil der Energie seiner Tiernahrung in seinen Körper aufgenommen. An jedem Glied der Nahrungskette geht Energie verloren, weil die Lebewesen viel weniger Energie weitergeben, als sie aufnehmen. Dieser Energieverlust bedeutet, dass die meisten Nahrungsketten nur vier oder fünf Glieder lang sind. Ausrangierte pflanzliche und tierische (organische) Materialien schließlich zersetzen, gibt dem Boden Energie in Form von Nährstoffen zurück.

                Abbildung 3. Elemente des hydrologischen (Wasser-)Kreislaufs.

                Die Nahrungskette allein ist nicht für das Überleben der Pflanzen und Tiere, des Menschen, verantwortlich. Es ist wichtig zu erkennen, dass auch andere Nährstoffe wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasser eine Rolle bei der Erhaltung der Ökosysteme spielen, von denen die lebenden Organismen der Welt abhängen. Wie könnten wir ohne Wasser oder Luft überleben? So wie Energie durch Organismen und die Umwelt fließt, fließen auch diese anderen Nährstoffe durch die Biosphäre in Zyklen. Zum Beispiel ein Teil der Wasserkreislauf beinhaltet Wasser verdampfend aus Flüssen und Ozeanen in die Atmosphäre, wo es sich in Wolken aufbaut (Kondensation) und kehrt als Regen oder Schnee auf den Boden zurück (Niederschlag) (siehe Abbildung 3).

                Energiefluss ist etwas, das Ingenieure beim Design von Systemen und Technologien berücksichtigen. Egal, ob es sich um bestehende Technologien in unseren Gebäuden handelt oder um neue, coole MP3-Player oder neue Technologien zur Unterstützung der Entwicklung von Gemeinschaften oder neue Brennstoffe, um all die Dinge anzutreiben, die wir täglich verwenden und auf die wir uns verlassen, der Energiefluss ist für Ingenieure wichtig . In ähnlicher Weise sind alle Dinge in der Natur auf einen Energiefluss angewiesen, um sich selbst zu erhalten. Pflanzen und Tiere sind alle Teil eines Netzwerks von Energieflüssen. Darüber hinaus ergeben sich unterschiedliche Wetter- und Klimabedingungen als Folge des Energieflusses durch die Biosphäre. Wettersysteme sind von besonderem Interesse für Ingenieure, die Sensoren, Messgeräte und meteorologische Computermodelle entwickeln, die uns helfen, Wettermuster vorherzusagen und Wettervorhersagen zu informieren.

                (Optional: Zeigen Sie den Schülern die angehängte PowerPoint-Präsentation, Energiezyklen Visual Aids, die Bilder der Nahrungskette, des Wasserkreislaufs, des Kohlenstoffkreislaufs und des Stickstoffkreislaufs enthält.)

                Lassen Sie uns heute darüber nachdenken, wie wir Energie und andere Nährstoffe wie Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in unsere Biodome bringen können, damit Organismen überleben können. Werden wir in unseren Biodomes Nahrungsketten haben? Irgendwelche Ideen? Im Anschluss an die Lektion können die Schüler die Aktivität Biodomes Engineering Design Project: Lessons 2-6 abschließen, um einen Modellbiodom mit einer bestimmten Umgebung zu entwerfen und zu erstellen.

                Unterrichtshintergrund und Konzepte für Lehrer

                Zahlreiche Kreisläufe tragen zum natürlichen Energie- und Nährstofffluss in verschiedenen Ökosystemen der Biosphäre der Erde bei, um das Leben zu erhalten und ein Gleichgewicht zwischen Pflanzen und Tieren aufrechtzuerhalten. Verwenden Sie in dieser Lektion Bilder (verfügbar in der beigefügten PowerPoint-Präsentation, Energiezyklen Visual Aids), um diese Konzepte zu erläutern. Abbildung 3 ist beispielsweise für den Einsatz im Unterricht geeignet und wird auch in das Bewertungsarbeitsblatt (in Form eines Quiz) für Schüler aufgenommen, die den Abschnitt "Zusammenfassende Bewertung der Lektion" absolvieren.

                Abbildung 4. Der hydrologische (Wasser-)Kreislauf.

                Die Wasserkreislauf identifiziert zyklisch den Wasserfluss, eine lebensnotwendige Ressource. Im Wasserkreislauf, Wasser passiert von Pflanzen und Bäumen und verdunstet aus Gewässern und Böden, kehrt dann zur Erde zurück um Niederschlag. Der Wasserkreislauf ist ein wichtiger Teil der Nahrungskette und sollte in Verbindung mit dem Nahrungsnetz betrachtet werden, da Tiere und Pflanzen ohne Wasser nicht überleben können. Zeigen Sie den Schülern eine Animation von Figures 4, verfügbar auf der Website der City of Lincoln, Nebraska: http://www.lincoln.ne.gov/city/pworks/water/funfacts/wtrcycle.htm . Integrieren Sie Informationen zum Wasserkreislauf basierend auf dem Niveau der Klasse oder wenn die Schüler mehr über die Dynamik und die Übergänge von Land zu Wasser, Wasser zu Atmosphäre und dann zurück von Atmosphäre zu Land und Wasser erfahren möchten.

                Ein weiterer wichtiger Nährstoffkreislauf ist der Kohlenstoffzyklus. Abbildung 5 veranschaulicht den Fluss von Kohlenstoff, wie er durch Photosynthese von Land und Wasser zirkuliert und Atmung aus Phytoplankton, Landpflanzen und Bäumen. Die Pflanzen und Bäume nehmen das Kohlendioxid auf (Fixierung) und geben nur Sauerstoff ab. Ihr Zersetzung gibt den Kohlenstoff dann wieder an den Boden und die Atmosphäre ab. Kohlenstoff wird auch in Form von Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben Verbrennung fossiler Brennstoffe für Verkehr, Energie und industrielle Prozesse. Die Kohlenstofffixierung und -zirkulation ist wichtig, weil sie ein Baustein des Lebens und elementar für die physikalische Masse aller Lebewesen ist, die zu einem gewissen Anteil aus Kohlenstoff bestehen.

                Abbildung 5. Der Kohlenstoffkreislauf.

                Dieser Kreislauf findet zwischen Wasser und Atmosphäre sowie zwischen Landpflanzen und Bäumen und der Atmosphäre statt. Ein weiterer Teil des Kohlenstoffkreislaufs umfasst Ereignisse, die unter der Erdoberfläche stattfinden. Organischer Kohlenstoff setzt sich in Gewässern ab und wird in Sedimenten gespeichert. Dieses Sediment, wenn es im Schichtungsprozess von Sedimentgestein eingeschlossen wird, wird schließlich in fossile Brennstoffe, Kohle oder Rohöl umgewandelt, die Ingenieure gewinnen, um sie zu verfeinern und als Brennstoff zu verwenden.

                Die Stickstoffkreislauf ist ein weiterer wichtiger Nährstoffkreislauf in der Biosphäre der Erde (siehe Abbildung 6). Stickstoffgas wird durch die Atmung von Biota, Pflanzen und Bäumen aufgenommen und wieder in den Boden abgegeben. Ein Teil des Stickstoffs bildet Nitrat oder Nitrit in Böden und ein Teil wird als Stickstoffgas in die Atmosphäre abgegeben. Stickstoff ist ein lebenserhaltender Nährstoff und ein Hauptbestandteil von Düngemitteln, die für landwirtschaftliche Zwecke verwendet werden. Der landwirtschaftliche Abfluss dosiert auch den Boden mit Stickstoff. Darüber hinaus gibt jeder Verbraucher, der Pflanzen, Gemüse oder anderes organisches Material zu sich nimmt, das an der Stickstoffaufnahme beteiligt ist, Stickstoff in Form von Harnstoff in seinen eigenen Abfall frei. Pflanzenfresser und Allesfresser sind die Hauptquellen dieser Form von Stickstoff.

                Abbildung 6. Der Stickstoffkreislauf.

                Zugehörige Aktivitäten

                • Haben Sie Energie? Spinning a Food Web - Die Schüler lernen den Energiefluss in Nahrungsnetzen kennen, einschließlich der Rolle von Produzenten, Verbrauchern, Zersetzern und der Sonne. Durch die Modellierung eines Nahrungsnetzes und das Erstellen von Diagrammen von Nahrungsnetzen mithilfe von Zeichnungen und/oder Zeitschriftenbildern verstehen die Schüler das Netz der Nährstoffabhängigkeit und des Energietransfers besser.

                Unterrichtsschluss

                Was haben wir heute gelernt? Wir haben gelernt, dass alles in der Biosphäre durch Energie und Nährstoffe in einem Netz von Kreisläufen verbunden ist. Wir haben auch gelernt, wie wichtig der Fluss von Energie und Nährstoffen durch die Biosphäre ist, um Organismen zu helfen, sich zu bewegen, zu wachsen und zu überleben. Wir haben gelernt, dass Nahrungsketten und Nahrungsnetze den Energiefluss zeigen, bei dem Sonnenlicht durch Photosynthese in Nahrung für Produzenten umgewandelt wird, die dann zu Nahrung für die Verbraucher wird. Einige dieser Verbraucher sind Nahrung für noch andere Verbraucher und so weiter. Können Sie uns ein Beispiel für eine einfache Nahrungskette geben? (Lassen Sie einige Schüler beispielhafte Lebensmittelketten beschreiben.) Was ist ein Produzent? (Antwort: Ein Produzent ist jeder Organismus, der in der Lage ist, seine Nahrung selbst herzustellen, normalerweise durch Photosynthese, wie z. B. eine Pflanze.) Was ist ein Konsument? (Antwort: Ein Konsument ist jeder Organismus, der seine Nahrung durch den Verzehr von Produzenten oder anderen Organismen erhält.) Warum untersuchen Ingenieure den Energiefluss durch die Biosphäre? (Antwort: Ingenieure müssen verstehen, wie Energie durch ein System fließt, um Technologien wie Heizung für Gebäude, neue elektronische Geräte, neue Technologien zur Unterstützung der Entwicklung von Gemeinden oder neue Brennstoffe für all die Dinge zu entwickeln, die wir täglich verwenden und auf die wir angewiesen sind .)

                Wortschatz/Definitionen

                Biodome: Eine von Menschenhand geschaffene, geschlossene Umgebung, in der Pflanzen und Tiere im Gleichgewicht leben.

                Biosphäre: Der Teil der Erdatmosphäre, der Leben unterstützen kann und sowohl lebende als auch nicht lebende Dinge umfasst.

                Kohlenstoffkreislauf: Die kontinuierliche Zirkulation von Kohlenstoffatomen in der Biosphäre durch photosynthetische Umwandlung von Kohlendioxid in komplexe organische Verbindungen durch Pflanzen, die von anderen Organismen verbraucht werden: Der Kohlenstoff kehrt dadurch in Form von Kohlendioxid in die Atmosphäre zurück der Atmung, der Zersetzung durch Pilze, Bakterien usw. und der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

                Fleischfresser: Ein Tier, das nur Fleisch frisst.

                Verbrennung: Der Prozess, bei dem Kraftstoff verbrennt. Dafür sind drei Elemente erforderlich: Brennstoff, Wärme und Sauerstoff.

                Kondensation: Der Vorgang, bei dem Wasserdampf in flüssiges Wasser übergeht.

                Verbraucher: Ein Organismus, der komplexe organische Verbindungen für seine Nahrung benötigt, die er durch Beute von anderen Organismen oder durch den Verzehr von organischem Material erhält.

                Zersetzung: Die Zerlegung eines Stoffes in verschiedene Teile oder einfachere Verbindungen. Zersetzung kann aufgrund von Hitze, chemischer Reaktion, Zerfall usw. auftreten.

                Ökosystem: Eine funktionelle Einheit, bestehend aus allen lebenden Organismen (Pflanzen, Tiere und Mikroben) in einem bestimmten Gebiet und allen nicht lebenden physikalischen und chemischen Faktoren ihrer Umgebung, die durch Nährstoffkreislauf und Energiefluss miteinander verbunden sind. Ein Ökosystem kann jede beliebige Größe haben – ein Baumstamm, ein Teich, ein Feld, ein Wald oder die Biosphäre der Erde – aber es funktioniert immer als Ganzes.

                Energie: Die Fähigkeit zu energischer Aktivität verfügbare Leistung die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Ich esse zum Beispiel Schokolade, um schnell Energie zu bekommen.

                Ingenieur: Eine Person, die wissenschaftliche und mathematische Prinzipien zu kreativen und praktischen Zwecken wie dem Entwurf, der Herstellung und dem Betrieb von effizienten und wirtschaftlichen Strukturen, Maschinen, Prozessen und Systemen anwendet.

                Umwelt: Die Umgebung, in der ein Organismus lebt, einschließlich Luft, Wasser, Land, natürliche Ressourcen, Flora, Fauna, Menschen und deren Wechselbeziehungen. (Beispiele: Tundra, Nadelwald, Laubwald, Grasland Prärie, Berge und Regenwald.)

                Verdampfung: Der Prozess, bei dem Atome oder Moleküle im flüssigen Zustand (wie Wasser) genügend Energie gewinnen, um in den gasförmigen Zustand (wie Wasserdampf) überzugehen.

                Nahrungskette: Eine Sequenz von Organismen, von denen jeder das nächste, untere Glied der Sequenz als Nahrungsquelle nutzt. Quelle: US-Umweltschutzbehörde: http://www.epa.gov/OCEPAterms/fterms.html.

                Nahrungsnetz: Ein komplexes Netzwerk vieler miteinander verbundener Nahrungsketten und Interaktionen bei der Nahrungsaufnahme.

                Pflanzenfresser: Ein Tier, das nur Pflanzen frisst.

                Wasserkreislauf: Der kontinuierliche Zyklus von Verdunstung und Kondensation, der die Verteilung des Wassers der Erde steuert, wenn es aus Gewässern verdunstet, kondensiert, ausfällt und in diese Gewässer zurückkehrt.

                Stickstoffkreislauf: Die kontinuierliche Zirkulation von Stickstoff in der Natur, bestehend aus einem Zyklus chemischer Reaktionen, bei denen atmosphärischer Stickstoff zusammengesetzt, im Regen aufgelöst und im Boden abgelagert wird, wo er von Bakterien und Pflanzen aufgenommen und verstoffwechselt wird und schließlich in den Boden zurückkehrt Atmosphäre durch bakterielle Zersetzung organischer Stoffe.

                Allesfresser: Ein Tier, das sowohl Pflanzen als auch Tiere frisst.

                Photosynthese: Der Prozess in grünen Pflanzen, bei dem Kohlenhydrate aus Kohlendioxid und Wasser unter Verwendung von Sonnenlicht als Energiequelle hergestellt werden.

                Niederschlag: Wasser, das in flüssigem oder festem Zustand aus der Atmosphäre auf die Erde fällt (z. B. Regen, Schnee, Hagel).

                Produzent: Jeder Organismus, der in der Lage ist, seine eigene Nahrung zu produzieren, normalerweise durch Photosynthese.

                Atmung: Der Vorgang, bei dem ein Organismus Sauerstoff für seine Lebensprozesse nutzt und dabei Kohlendioxid und Wasser abgibt.

                Transpiration: Der Prozess, bei dem von Pflanzen aufgenommenes Wasser, normalerweise durch die Wurzeln, von der Pflanzenoberfläche, hauptsächlich von den Blättern, in die Atmosphäre verdunstet wird.

                Wasserkreislauf: Siehe Wasserkreislauf.

                Bewertung

                Quiz vor der Einheit: Um zu beurteilen, wie gut die Unterrichtskonzepte von den Schülern gelernt wurden, führen Sie vor Beginn der Unterrichtsstunde eine allgemeine Vor-/Nachbewertung dieser Unterrichtsstunde durch, indem Sie der Klasse das Energie- und Nährstofffluss-Konzept-Quiz durchführen. Führen Sie dann nach Abschluss das gleiche Quiz (nach dem Unterricht) denselben Schülern durch und vergleichen Sie die Ergebnisse vor und nach dem Unterricht.

                Diskussionsfragen: Schülerantworten einholen, integrieren und zusammenfassen. Fragen Sie die Klasse:

                • Warum haben Sie Ihre letzte Mahlzeit gegessen? (Diskussionspunkte: Viele werden sagen, sie hätten Hunger oder wollten etwas Leckeres essen. Wir müssen essen, um uns mit den Rohstoffen zu versorgen, damit wir uns bewegen, wachsen und gesund bleiben können. Essen gibt uns Energie.)
                • Woher kommt dein Mittagessen? Woher kommt ein Schinken-Käse-Sandwich? (Diskussionspunkte: Stellen Sie die Idee der Nahrungskette vor, indem Sie die Klasse bitten, die Produktion von Schinken, Käse oder Eiern usw. in allen Arten von Mittagsgerichten, die sie täglich in der Cafeteria sehen, zu verfolgen. Sprechen Sie über die Energie in den Lebensmitteln und woher es kommt, was sie auf die Idee bringt, dass die gesamte Energie in der Nahrung letztendlich von der Sonne stammt.)

                Bingo: Geben Sie jedem Schüler ein Blatt Papier, um ein großes Tic-Tac-Toe-Board (ein 3 x 3 Raster mit 9 Quadraten) zu zeichnen, das das gesamte Papier ausfüllt. Lassen Sie die Schüler in jedes Feld einen Wortschatzbegriff für die Lektion schreiben. (Wählen Sie aus: Nahrungsnetz, Nahrungskette, Produzent, Konsument, Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser, Energie, Umwelt, Biosphäre, Ingenieur.) Lassen Sie als nächstes jeden Schüler paarweise arbeiten, um die Vokabularbegriffe zu definieren und die richtigen Definitionen laut vorzulesen Klasse. Die Schüler streichen für jede richtige Definition ein Wort an. Das Ziel ist drei in Folge. Alternative Methode: Lassen Sie die Schüler durch den Raum gehen und einen Schüler finden, der einen Wortschatz genau definieren kann. Die Schüler müssen für jedes Semester einen anderen Schüler finden. Wenn ein Schüler alle Semester abgeschlossen hat, ruft er/sie "Bingo!" Fahren Sie fort, bis zwei oder drei Schüler Bingo haben. Fragen Sie die Schüler, die "Bingo!" gerufen haben. Definitionen der Fachbegriffe zu geben.

                Zusammenfassung der Lektion

                Konzeptarbeitsblatt: Lassen Sie die Schüler das angehängte Quiz zum Energie- und Nährstofffluss-Konzept ausfüllen, um ihre Antworten zu überprüfen, um ihre Beherrschung des Themas zu beurteilen.

                Quiz nach der Einheit: Wenn Sie das Quiz zum Energie- und Nährstofffluss-Konzept vor Beginn dieser Lektion durchgeführt haben, führen Sie zum Abschluss das gleiche Quiz erneut in der Klasse durch, nachdem Sie die Lektion und Aktivität beendet haben. Vergleichen Sie die Pre- und Post-Scores, um den Einfluss der Lektion auf das Lernen der Schüler abzuschätzen.

                Diagrammerstellung: Lassen Sie die Schüler eine oder zwei einfache Nahrungsketten oder Nahrungsnetze zeichnen, um die Quelle von etwas zu beschreiben, das sie kürzlich gegessen haben. Jede Nahrungskette oder jedes Nahrungsnetz sollte mit der Sonne beginnen und sich dann zu den Erzeugern und den damit verbundenen Verbrauchern bewegen. Stellen Sie sicher, dass die Schüler Pfeile zeichnen, um den Energiefluss von einer Stufe zur nächsten anzuzeigen. Besprechen Sie mit ihnen, wie Ingenieure ähnliche Energieflussdiagramme erstellen könnten, wenn sie Materialien für neue Technologien untersuchen.

                Zum Beispiel Käsesandwich.

                Sonne ==> Gras ==> Kuh ==> Milch ==> zu Käse gemacht, der von Menschen gegessen wird

                Sonne ==> Weizen ==> Weizenkorn zu Brot, das von Menschen gegessen wird

                Aktivitäten zur Unterrichtserweiterung

                Lassen Sie Schüler, die früh fertig sind, das Internet nutzen, um eine hervorragende Animation des Stickstoffkreislaufs auf der Website des Olympic National Park anzusehen: https://www.nps.gov/index.htmOder zeigen Sie der gesamten Klasse die Animation und binden Sie den Stickstoffkreislauf ein indem diskutiert wird, wie Stickstoff als Brennstoff wirkt, der von Verbrauchern, Produzenten und Zersetzern durch die Umwelt zirkuliert.

                Beauftragen Sie die Schüler, mehr über die verschiedenen Nährstoffkreisläufe in der Biosphäre zu erfahren, einschließlich des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserkreislaufs. Weitere Informationen und Abbildungen finden Sie im Abschnitt Unterrichtshintergrund und Konzepte für Lehrer sowie in der beigefügten PowerPoint-Präsentationsdatei von Energy Cycles Visual Aids.

                Zusätzliche Multimedia-Unterstützung

                Sehen Sie den Wasserkreislauf in Aktion mit diesem animierten Diagramm der Stadt Lincoln, Nebraska: http://www.lincoln.ne.gov/city/pworks/water/funfacts/wtrcycle.htm (zum Starten der Animation klicken).

                Sehen Sie den Stickstoffkreislauf in Aktion mit dieser Animation auf der Website des Olympic National Park (WA).

                Verweise

                Bush, Mark B. Ökologie eines sich verändernden Planeten, Zweite Auflage. Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.


                Schau das Video: Anna Hogenová: Žít z vlastního pramene (Kann 2022).