ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA:

BIOSFERA CZY CYWILIZACJA?

WYKŁAD 2.1BIOLOGICZNA NATURA CZŁOWIEKA

CZEGO NAM TRZEBA?

Homo sapiens

Królestwo zwierzęta AnimaliaTyp strunowce ChordataPodtyp kręgowce VertebrataGromada ssaki MammaliaPodgromada łoŜyskowce PlacentaliaRząd naczelne PrimatesPodrząd HaplorrhiniNadrodzina małpy człekokształtne

HomininoideaRodzina człowiekowate Hominidae

POZYCJA TAKSONOMICZNA CZŁOWIEKA

Lucas Cranach (ok. 1510)

Wzrost 1,21-2,00 m

Średnio: ♂1,65 m; ♀1,54 m

Masa śr. 62,0 kg

ZASIĘG GEOGRAFICZNY Homo sapiens

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

NatęŜenie strumienia energii (mocy) układów technicznych i organizmów (wartości przybliŜone).

NatęŜenie strumienia

energii (moc, tempo

metabolizmu)

Układy techniczne Układy Ŝywe

10 µW

(0.00001 W)

Zegarek elektroniczny

Larwa Tribolium

1 WLatarka kieszonkowa

Średni dobowy metabolizm sikory bogatki

10 W Mikrokomputer Metabolizm kota

100 W śarówka, telewizor Metabolizm człowieka przy lekkiej pacy

1000 W śelazko, czajnik Metabolizm człowieka przy cięŜkiej pracy

10 kWŚrednie tempo zuŜycia energii przez jednego mieszkańca W. Brytanii

50 kW Samochód osobowy Respiracja 5 ha lasu

664000 MW Produkcja pierwotna netto całej biosfery

C

R

P

FU

CAŁOśYCIOWY BILANS ENERGII OSOBNIKA

RESPIRACJA

KONSUMPCJA

PRODUKCJA

ODCHODY

C = A + FU = (P + R) + FU

C

R

P

FU

CAŁOśYCIOWY BILANS ENERGII OSOBNIKA

RESPIRACJA

KONSUMPCJA

PRODUKCJA

ODCHODY

C = A + FU = (P + R) + FU

Jaka część ??

P+R=AASYMILACJA

„WYDAJNOŚĆ” PRODUKCJI I ASYMILACJI [%]

ORGANIZMY P/A P/C A/C3545

3228

9262

3737

1014

2737

2,3 2,2 96

5,2 4,2 81

1,5 0,48 32

POMIARYMETABOLIZMU

1. KALORYMETRYCZNE2. RESPIROMETRYCZNE

3. IZOTOPOWE4. śYWIENIOWE

KALORYMETR LAVOISIERA

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + energia

ZALEśNOŚĆ METABOLIZMUOD CIĘśARU CIAŁA

(TU: SSAKÓW)

ZALEśNOŚĆMETABOLIZMUOD MASYCIAŁA

WYMIANA CIEPŁA MIĘDZY ORGANIZMEM A OTOCZENIEM

TERMOERGULACJA U STAŁOCIEPLNYCH

TEMPERATURA OTOCZENIA

TE

MP

O M

ET

AB

OLI

ZM

UTEMPERATURA CIAŁA

TERMOERGULACJA U STAŁOCIEPLNYCH

WYSOKA PRZEWODNOŚĆ(GORSZA IZOLACYJNOŚĆ)

NISKAPRZEWODNOŚĆ(DOBRAIZOLACJA)

TE

MP

O M

ET

AB

OLI

ZM

U

TEMPERATURA OTOCZENIA

TEMPERATURA CIAŁA

TERMOREGULACJA

TERMOREGULACJA

METABOLIZM WYSIŁKOWY

1000 WPOBRANIE ENERGIIPRZEZ CZŁOWIEKAW SPOCZYNKUI PRZY PRACY

100 W

ZuŜycie energii przez człowieka (▲) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię (●) u ssaków (wg Weiner 1989)

Tem

po z

uŜyc

ia e

nerg

ii, W

Metabolizm minimalny

Metabolizm maksymalnyMaks. asymilacjaenergii z pokarmu

OGRANICZENIA BUDśETUENERGETYCZNEGO

Ŝerowanie

trawienie

wchłanianie

ciepło praca tkanka

FMR ssaki

FMR ptaki

Amax

Weiner 1992

Cywilizacyjne ekstrawagancje

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

ZuŜycie energii na głow ę, kW

0

5

10

15

20

25

30

35

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97

100 103

106

109

112

115

118

121

124

127

130

133

kraje swiata

kW

Fizjologiczne zapotrzebowanie człowieka:w spoczynku: 70 – 80 Wprzy pracy: 350 – 600 W

ZuŜycie energii na głow ę (średnie dla regionów)

0

1

2

3

4

5

6

7

Świat

OECDŚr

. Wsc

hód

Były Z

SRREur

. Nie-

OECD

Chiny

AzjaAm. Ł

ac.

Afryka

Polska

Regiony

kW

POKARMPrzystosowania przewodu

pokarmowego

ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ

2005

O: 35 kg; C: 17.5 kg; H: 6.25 kg; N: 1.5 kg; P: 0.5 kg; S: 0.1 kg

Na: 70g; K: 120g; Cl: 74g; Mg: 16g; Si: 18g

Fe, Zn, Cu, I, Mn, F, Cr, Se, Mo, Co...

Tycjan, 1538

Co: 1mg

Homo sapiens, ok. 61 kg

Michał Anioł, 1535 Homo sapiens

Wzór stechiometryczny organizmu ssaka

H375000000 O132000000 C85700000 N6430000 Ca1500000 P1020000 S206000 Na183000 K177000 Cl127000 Mg40000 Si38600 Fe2680 Zn2110 Cu76 I14 Mn13 F13 Cr7 Se4 Mo3 Co1

C:N:P = 84:6:1

Wzór stechiometryczny ciała ludzkiego

H375000000 O132000000 C85700000 N6430000 Ca1500000 P1020000 S206000 Na183000 K177000 Cl127000 Mg40000 Si38600 Fe2680 Zn2110 Cu76 I14 Mn13 F13 Cr7 Se4 Mo3 Co1

C:N:P = 84:6:1

C, H, O, N, P, K, Ca, Na, S ....

Heterotrof pobiera wszystkie pierwiastki naraz, w takich proporcjach, w jakich są w pokarmie.

SELEKTYWNA ASYMILACJASELEKTYWNE śEROWANIEROLA GRZYBÓW

SKŁADCIAŁA

SKŁADPOKARMU

NADMIAR DOWYDALENIA

KONSUMPCJAPOKARMU

STRATEGIA MONOFAGA

Ŝerowanie w nadmiarzewydalanie nadmiaru

SKŁADCIAŁA

SKŁADPOKARMU

KONSUMPCJAPOKARMU

STRATEGIA POLIFAGA

pobieranie róŜnych pokarmówdla skompensowania składu

Weiner 1992

FUNKCJE PRZEWODU POKARMOWEGO

MIKROKOSMKI

KOSMKI

STOMACH

JELITO GRUBE

JELITO ŚLEPE

JELITOCIENKIE

śOŁĄDEK

PRZEDśOŁĄDEK

WOLE

PRZEWODY POKARMOWE

A.PSAB.ANTYLOPYC.KRÓLIKAD.CZŁOWIEKA

PRZEWODY POKARMOWE

A. PSAB. ANTYLOPYC. KONIAD. CZŁOWIEKAE. ŚWINI

POKARM„OBJĘTOŚCIOWY”NISKOSTRAWNYOBFICIE DOSTĘPNY

PIERWOTNA DIETA LUDZI

• Australopiteki: – pokarm roślinny

– białko roślinoŜerców (np. termity)– padlina

• Współcześni łowcy-zbieracze:– 1/3 energii z pokarmu roślinnego

– 2/3 energii z pokarmu zwierzęcego (m.in. bezkręgowce - owady)

Adaptacje ludzkiego przewodupokarmowego do pokarmówzwierz ęcych

• Struktura przewodu pokarmowego

• Brak celulazy• Brak syntezy witaminy B12• Ograniczona synteza

tauryny• Enzymy: elastaza i

kolagenoza• Zdolność wchłaniania

hemu

roślinnych

• Enzymy: amylaza ślinowa, trzustkowa

• Brak syntezy witaminy C

OGIEŃ

• Pierwsze (dyskusyjne) ślady uŜytkowania ognia: 790 000 lat temu (dolny paleolit)

• Pewne ślady kontrolowanego uŜytkowania ognia: 400-200 tys. lat temu

Homo erectus

„Hipoteza kulinarna”

• Ogień poszerzył niszę pokarmową:– Niejadalne (trujące) podziemne bulwy* – Mięso skaŜone patogenami

*np. ziemniak – solanina, niestrawne węglowodany

ROLNICTWO

korzy ści

• Obfitość pokarmu• Przewidywalność

wady

• Pokarm trudnostrawny– Ogień, Ŝarna

• Pokarm skrajnie mało urozmaicony

• Nagła zmiana obyczajów pokarmowych

• Obecność glutenu, kwasu fitynowego– Celiakia, anemia, krzywica

Uprawa traw wielkonasiennych (zbóŜ); Początki: ok. 10 tys. lat temu; rozwój od 6 tys. lat

Uprawa soi

korzysci

• Ziarno zawiera do 50% białka

wady

• Trucizny (0brona roślin)– Inhibitory trypsyny– Gotowanie nie wystarcza– Fermentacja

PRZETWARZANIE śYWNOŚCI w celu dostosowania do ograniczeńfizjologicznych człowieka:

• mechaniczne• termiczne• z udziałem innych organizmów

EWOLUCJA CZŁOWIEKA W CZASACH HISTORYCZNYCHTOLERANCJA LAKTOZY W ŚRÓD LUDZI DOROSŁYCH

WIELOKROTNE MUTACJE – PRODUKCJA LAKTAZY

ŚN, X.2014

PREFERENCJE KLIMATYCZNE

Temperatura, wilgotność, ciśnienie (wysokość n.p.m.)

sezonowośćitd.

BUSZMENIZ KALAHARI

BEDUINI

NG

ESKIMOSI

PIGMEJENG

PRZYBLIśONE ZAKRESY DŁUGOTRWAŁEJ TOLERANCJITEMPERATURY OTOCZENIA

ADAPTACJE DO ZIMNA U LUDZIT

empe

ratu

ra p

alca

oC

Zanurzenie ręki do wody o t. 5oC

„Fale Lewisa”

Oscylacjetemperatury palcazapobiegająodmroŜeniomi stratom ciepła

Czas h

Aborygeni

Alacaluf

Ama

Buszmeni

Indianie AndyjscyEskimosi

Europejczycy

Grubość fałdu skóry [mm]

Izol

acyj

ność

skór

y o C

m2

d/M

JNajwyŜsza u Aborygenów,najniŜsza u Eskimosów

Izolacyjnośćtkanki skóry

REAKCJA NA ZIMNO U LUDZI

PRZYROST PRODUKCJI CIEPŁA

CAŁKOWITA PRODUKCJA CIEPŁA

Temperatura skóry oC Temperatura skóry oC

Biali

Eskimosi

Alakaluf iAborygeni

Kca

l m-2

h-1

20

15

10

5

0

EskimosiBiali

Alakaluf

Aborygeni

60-

50-

40-33 31 29 27 33 31 29 27

ABORYGENI (AUSTRALIA)

INDIANIE ALAKALUF (ZIEMIA OGNISTA)

Karol Darwin, PodróŜ na okręcie Beagle. Ziemia Ognista(o Indianach Alacaluf)

NURKOWANIE

Kobiety Ama(Japonia, Korea)

Koreankinienurkujące

Kobiety Ama

Biali

Guido Ferrettia, Mario CostaComparative Biochemistry and Physiology Part A 136 (2003) 205–213

Tkanka tłuszczu podskórnego [mm]

Kry

tycz

na te

m[e

ratu

ra w

ody

o C

Critical Water Temperature:3 hr bez dreszczy

KOLOR SKÓRY

Ewolucyjno-genetyczny model pigmentacji skóry u człowiekaA. Juzeniene et al. / Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 96 (2009) 93–100

SEZONOWOŚĆ

SEZONOWOŚĆ ROZRODU U SSAKÓW

Sezonowość rozrodu u Peromyscus sp.Sezonowość rozrodu u Lagomorpha

ZALEśNOŚĆ OD SZEROKOŚCI GEOGRAFICZNEJ

SEZONOWOŚĆ ROZRODU U SSAKÓW

ZALEśNOŚĆ OD ILOŚCI OPADÓW

SEZONOWOŚĆ ROZRODU U LUDZI

BUSZMENI !Kung Z PUSTYNI KALAHARI

SEZONOWOŚĆ ROZRODU U LUDZI

SEZONOWOŚĆ URODZIN I ZGONÓW W POLSCE

SEZONOWOŚĆ WOJENI BITEW U LUDZI (W HISTORII)ZALEśNIE OD SZEROKOŚCIGEOGRAFICZNEJ

Schreiber et al., 1991, Nature

N

S

ZMIANY WIELKOŚCI JĄDER U CHOMIKÓW W ZALEśNOŚCI OD DŁUGOŚCI DNIA

kontrolnez usuniętą szyszynką

SZYSZYNKA U KARTEZJUSZA (SIEDLISKO DUSZY)

„OKO CIEMIENIOWE” (ORGAN PARIETALNY) TUATARY (Sphenodon punctatus)

WARUNKI PRZERWANIA PRODUKCJI MELATONINYPRZEZ ŚWIATŁO W NOCY

(MOśE WYSTARCZYĆ 20-30’ sec, NAWET 1 msec)

Gatunek NatęŜenie światła [ µW/cm 2]

Szczur biały 0,0005

Bawełniak 0,01

Chomik syryjski 0,1

Suseł 13-pręgowy 925

Suseł Richardsona 1850

CZŁOWIEK 150-200

światło pokojowe 50-150

światło słoneczne 25000-50000

barwa światła niebieska 500-510 A (odp. rodopsynie)