przyroda

piątek, 04 listopada 2011

               Policzmy ile dwutlenku węgla (CO2) wydycha przeciętny człowiek w ciągu doby. W tym celu należy poczynić pewne założenia. Interesuje nas jedynie powietrze wydechowe, w którym należy zmierzyć stężenie dwutlenku węgla. Z fizjologii człowieka wiadomo, że w normalnych warunkach prężność dwutlenku węgla we krwi wynosi 35 – 45 mmHg. Jest ono w równowadze z prężnością gazu w powietrzu oddechowym w pęcherzykach płucnych tuż przed rozpoczęciem wydechu. Znając ciśnienie powietrza w warunkach normalnych (760 mmHg), wiemy, że objętościowo CO2 stanowi średnio :

[1] 40/760 * 100% = 5.3%

            Średnia objętość oddechowa wynosi 500ml, z czego 150 ml stanowi tak zwana przestrzeń martwa, czyli objętość powietrza wypełniająca struktury anatomiczne, nie pełniące bezpośredniej roli w wymianie gazowej, przykładowo jama ustno – gardłowa, tchawica i duże oskrzela.  Wiemy więc, że w trakcie jednego oddechu w płucach statystycznego człowieka, powstaje około 18.5 ml CO2:

[2] 350ml * 5.3% = 18.5 ml

Metabolizm i produkcja dwutlenku węgla, obieg węgla w przyrodzie

            Teraz należy uwzględnić ilość oddechów na dobę, aby poznać objętość tworzonego CO2. Średnia, fizjologiczna ilość oddechów na minutę wynosi 12 – 15. Jednak w nocy ilość ta spada, a i objętość oddechowa maleje. Tempo metabolizmu obniża się, razem ze zmniejszeniem ilości pracy mechanicznej. Bezpiecznie założyć, że średnia ilość oddechów o objętości 18.5 ml wynosi 10/min na dobę, wliczając sen. Wtedy :

10 * 60 * 24 * 18.5 ml = 266400, czyli 266 litrów (dm3) CO2 na dobę.

            Mol gazu w warunkach normalnych ma 22.4 l (dm3). Daje nam to 12 moli gazu tworzonego na dobę. Teraz przejdźmy do obliczeń łączących liczność cząsteczek (mole) z masą. Zgodnie z tablicą Mendelejewa, mol dwutlenku węgla (CO2) waży 44g (12g + 2* 16g). Nasze wyliczone 12 moli, będzie mieć więc masę około 500g. Ilość wydychanego CO2 na dobę to średnio 500g. Większa część z tego, pochodzi z powietrza, na zasadzie wymiany ( tlen ). Węgiel pochodzi z pokarmu.

            Ilość wydychanego CO2 może drastycznie rosnąć w warunkach zwiększonej mocy średniej na dobę. Czy to związanej z pracą mechaniczną, czy też na przykład chorobą.

            Porównajmy teraz ilość produkowanego CO2 i zdolność roślin do wiązania CO2. Odpowiedzmy sobie na pytanie, jaka jest minimalna powierzchnia fotosyntetyzujących roślin (liści/igieł), która zapewniłaby przetrwanie spoczywającemu człowiekowi. Jak donoszą autorzy M T F Piedade, S P Long, W J Junk w artykule “Leaf and Canopy Photosynthetic Co2 Uptake of a Stand of Echinochloa-Polystachya on the Central Amazon Floodplain”, wspomniany gatunek rośliny, rosnący w Amazonii, jest w stanie związać średnio 3.57 kg węgla na metr kwadratowy w ciągu roku.

            Odpowiada to 9.6 g/dobę dla każdego metra kwadratowego, co oznacza że potrzeba około 15 metrów kwadratowych tej rośliny, hodowanej w optymalnych warunkach, celem utrzymania jednego, spoczywającego  człowieka przy życiu. W praktyce w umiarkowanych szerokościach geograficznych, powierzchnia potrzebna do tego celu jest znacznie wyższa. Na szczęście blisko ¾ Ziemi pokrywa woda. Żyjące w niej mikroorganizmy fotosyntetyzujące i glony, zapewniają większość dostępnego dla nas tlenu. Nie bez znaczenia jest pojemność buforowa wód dla CO2.

            Wspomniane liczby, pozwalają zrozumieć jak wielkie są wymagania metaboliczne ssaków. Czasem, patrząc na las, zastanówmy się jak wielka jego powierzchnia jest nam konieczna do przeżycia. Postarajmy się traktować rośliny z należnym im szacunkiem, wiedząc, że stanowią fundament życia na Ziemi, a zarazem ich piękno koi nasze zszargane pośpiechem nerwy. Przy tym są zupełnie bezbronne w obliczu rozrastającej się cywilizacji.

Piedade, M., Long, S., & Junk, W. (1994). Leaf and canopy photosynthetic CO2 uptake of a stand of Echinochloa polystachya on the Central Amazon floodplain Oecologia, 97 (2), 193-201 DOI: 10.1007/BF00323149

poniedziałek, 27 czerwca 2011

Jak konkretnie działa ta przykładowa symulacja ? Patrząc na kinetykę roślin (zielone punkty) można dojść do wniosku, że ulegają one dyfuzji. To znaczy, że rozszerzają swój zasięg na tereny przyległe. Oczywiście są różne sposoby wykorzystywania przez rośliny wektorów, celem zajmowania terenów odległych. W mojej symulacji możemy ustawić trzy współczynniki odpowiadające za wzrost roślin.

  1. Wzrost roślin, odpowiada za szybkość z jaką roślina zwiększa intensywność na danym obszarze, który już został przez nią zajęty.
  2. Dyfuzja roślin, precyzuje szybkość z jaką roślina zajmuje tereny przyległe.
  3. Generowanie roślin co x cykli, jest związane z losowym tworzeniem roślin na planszy, ma to odzwierciedlenie w wykorzystaniu wektorów przenoszących nasiona na duże odległości.

Rolę roślinożerców spełniają tzw "agenty", czyli obiekty pełniące pewne funkcje i mające zdolność do porozumiewania się pomiędzy sobą. Agenty poruszają się po planszy w sposób definiowany przy pomocy kilku zmiennych. Feromon, będący kluczem do porozumiewania się, dyfunduje, a zarazem jest usuwany (ekstynkcja). Każdy z agentów ma skończoną pulę receptorów do wysycenia, jeśli stężenie maksymalne zostanie osiągnięte, nie będzie w stanie ustalić lokalnego gradientu i podjąć decyzji o wybraniu kierunku poruszania się, co jest zgodne z mechanizmami opisywanymi w przyrodzie. Należy mieć na uwadze, że kinetyka wysycania receptorów i regulacja nerwowa, są kluczowe dla odpowiedniej reakcji na bodziec.

  1. Współczynnik dyfuzji feromonu (wsp.dyfuzji fer.) odpowiada szybkości dyfuzji substancji sygnałowej w domenie przestrzennej symulacji. Czym wyższa wartość, tym szybciej dyfunduje feromon, pozwalając na reakcję agentów w zasięgu niezerowego stężenia. Wysoki współczynnik dyfuzji powoduje też szybsze osiągnięcie równowagi, co za tym idzie zmniejsza się przesunięcie fazowe pomiędzy znalezieniem źródła pokarmu, a podążaniem za tym źródłem.
  2. Trwałość feromonu wiąże się ze znikaniem starych źródeł sygnału i czyszczeniem domeny przestrzennej z zalegającego feromonu. Zbyt wysoka trwałość powoduje, że wszystie receptory zostaną wysycone i agent nie będzie w stanie podjąć decyzji o kierunku poruszania się. Zbyt niska, spowoduje zniknięcie sygnału, zanim osiągnie on swoich adresatów.

Tutaj warto wspomnieć, że symulacja odbywa się na planszy, której granice spełniają warunek zerowego strumienia ( no flux boundary ). Nic nie przedostaje się przez granicę symulacji.

Agenty mają składową losową poruszania się (losowy ruch agentow), która jest tym istotniejsza dla ruchu, czym niższy jest lokalny gradient feromonu. Oznacza to, że jeśli brak źródła pokarmu, to obiekty poruszają się losowo.

Symulacja składa się z domeny przestrzennej X na X pól, definiowanych zmienną "rozmiar symulacji". Można też wybrać sobie ilość agentów, zmieniając pole "ilosc agentow". Wybranie duzych wartości, spowalnia działanie, rośnie bowiem koszt obliczeniowy. Wynosi on z grubsza rozmiar_symulacji^2+liczba_agentów.

W każdej chwili, wciśnięcie pauzy, zatrzymuje na chwilę symulację i umożliwia podejrzenie stężenia feromonu, bez konieczności utracenia widoku na planszę z pokarmem.

 

 

Bezpośredni link do symulacji

Zapraszam do korzystania z symulacji. Jak mi się uda za jakiś czas, to w ramach odpoczynku i zabawy z nowym językiem programowania, przełożę flasha na applet javy. Wtedy opublikuję też kod. W przypadku AcionScriptu skorzystanie byłoby trudniejsze, a poza tym AS 2.0 jest już lekko przeterminowany ;-)

wtorek, 23 listopada 2010

Codziennie dojeżdżam na zajęcia autobusem, moja godzinna (w jedną stronę) przerwa od szarości życia, poświęcona zazwyczaj na wolne przemyślenia. I tak mijając drzewa zmagające się z trudami życia w mieście dumałem nad dylematem braku soli mineralnych i mikroelementów.

Drzewa rosnące sobie w lesie, albo na polu, mają pod koroną warstwę ściółki/trawy, przechodzącej coroczny cykl rozwoju. Silnego, szybkiego wzrostu biomasy wiosną i stopniowej degradacji jesienią i zimą. Liście spadające z drzewa gniją w zasięgu systemu korzeniowego, niejako oddając sole mineralne zgromadzone podczas okresu wegetacji. CO2 z resztą też, jednak to nie jest clue tej sprawy. Chodzi o to, że drzewo samo sobie zapewnia odpowiednią ilość makro/mikroelementów zwracając na zimę większość biomasy z powrotem do ziemi. Dzięki temu zapotrzebowanie w kolejnym roku jest w dużej mierze zaspokajane bez zewnętrznego dowozu. Zdaję sobie sprawę, że jony mają zdolność do dyfuzji, a tempo metabolizmu roślinnego nie jest wielkie.

Jednak co się dzieje, jeśli znad betonowych płyt chodnikowych, wystaje jedynie pień drzewa ? Dookoła nie ma żadnych innych drzew, a opadające liście są zgarniane przez odpowiednie służby. Tym sposobem gleba nie odnawia się, ale ubożeje. Z każdym rokiem drzewo wiosną, budując nową biomasę, wyciąga z gleby potrzebne substancje, nie oddaje niczego na jesień. Cykl tworzenia się gleby jest całkowicie przerwany. Jak długo może przeżyć takie drzewko ? Co można zrobić, żeby rozwiązać ten problem? A może nie trzeba robić nic, bo gleba nie jest potrzebna ?

Tagi: ekologia
19:09, mathmed , przyroda
Link Komentarze (1) »
piątek, 12 listopada 2010

Jesteśmy częścią tego piękna, obojętnie czy zdajemy sobie z tego sprawę, czy nie.

| < Grudzień 2017 > |
Pn Wt Śr Cz Pt So N
        1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31
Tagi
Jestem członkiem agregatora naukowego researchblogging.org