Биосферный уровень организации жизни. Биосфера как глобальная экосистема.

Биосфера - глобальная экосистема. Учение В. И. Вернадского о биосфере. Функции живого вещества

Цели: сформировать знания об основных положениях учения о биосфере В.И.Вернадского.

Задачи:

Образовательные:

• сформировать у учащихся систему знаний о биосфере, её компонентах и границах их определяющих.

Развивающие:

• продолжить развитие умений работать с текстом и иллюстрациями учебника, таблицами;

• продолжить развитие мыслительных операций, таких как анализ, выделение главного, обобщение, сравнение при изучении постулатов учения о биосфере.

Воспитательные:

• продолжить развитие научно-материалистического мировоззрения при изучении основ учения о биосфере, понятия о живом веществе, его свойствах;

• продолжить развитие элементов экологической культуры через понимание значения знаний о биосфере как глобальной экосистемы.

ХОД УРОКА

Постановка познавательной задачи

Вам необходимо найти объединяющее понятие этих слов:

• Земная кора, камень. горные породы - Литосфер

• Роса, реки, озера, моря - Гидросфера

• Воздух, озоновый слой, северное сияние - Атмосфера

Уже сотни людей побывали в космосе и через иллюминаторы космических летательных аппаратов видели внешний облик нашей планеты. Но ещё в начале XX века В.И. Вернадский сумел взглянуть на Землю с ещё более далёкого расстояния и силой могучего воображения увидел главное, что отличает Землю от других планет – наличие на ней “проникнутой жизнью оболочки!” “…Сейчас в ней происходит бурный рассвет. Мы знаем только маленькую частичку этой непонятной, неясной, всеобъемлющей загадки…” В.И. Вернадский.

О чём идёт речь?

Биосфера - тонкий слой нашей планеты, населенный организмами, взаимодействующими с воздухом (атмосферой), водой (гидросферой) и земной корой (литосферой). Все живые существа зависят от сохранности ее целостности и устойчивости.

Докажите, что биосфера является глобальной экосистемой.
Биосфера Земли представляет собой глобальную открытую сис­тему со своими «входом» и «выходом». Ее «вход» - это поток сол­нечной энергии, поступающей из космоса, «выход» - те образован­ные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые в силу каких-либо причин ускользнули из биотического круговорота. На языке современной нау­ки биосферу называют саморегулируемой кибернетической систе­мой, обладающей свойствами гомеостаза.

Изучение нового материала

Понятие о биосфере было упомянуто в книге “Гидрогеология” (1802г) французским естествоиспытателем Ж. Б. Ламарком. В научном обиходе слово “биосфера” появилось в1875г. на страницах книги “Лик Земли” австрийского геолога Э. Зюсса. Под этим термином он понимал «пространство в котором есть жизнь».

Учение о биосфере было создано русским геохимиком В. И. Вернадским в 20 – 30 годах XX в. В 1926 г Вернадский разработал учение о биосфере – оболочке Земли, населенной и преобразуемой живыми организмами. Он выявил геологическую роль живых организмов, как фактор преобразования минеральных оболочек планеты.

Постулаты учения о биосфере (В.И.Вернадский, 1926 г.)

Биосфера – устойчивая динамическая система, которая уже изначально была высокоорганизованна и целостна.

Биосфера была структурирована на совокупности организмов. Только благодаря их “массовому эффекту” осуществлялись разнообразные геохимические функции жизни, что и отражалось в окружающей среде.

Эволюционный процесс идет в определенной жизненной среде, состав и масса которой неизменны в геологическом времени.  Выйти за пределы этой жизненной среды нельзя путем изучения эволюции видов.

Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом… а главное – длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений… порождали одно из грандиознейших планетных явлений ... Этот великий планетный процесс есть миграция химических элементов в биосфере.

Для осуществления полного кругооборота элементов в эволюции необходимо было участие “совокупностей”, состоящих из организмов разного уровня организации и различной таксономической принадлежности.

Все без исключения геохимические функции живых организмов в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными. По истечении геологического времени различные организмы замещали друг друга, однако не происходило изменений их функции.

Пределы жизни в биосфере 

Биосфера занимает нижнюю часть атмосферы, верхний слой литосферы и всю гидросферу. Общая толщина биосферы ~ 17км. Вглубь литосферы организмы проникают ~ на 6 – 7км, в гидросфере живые организмы проникают ~ на 11км. В атмосфере биосфера занимает только тропосферу.

Границы биосферы определяются естественными факторами, воздействующими на организм. Основным из них является действие ультрафиолетовых лучей и температуры.

Атмосфера наполнена газами, в недрах Земли – полезные ископаемые.

- Как образовались газы атмосферы, каменный уголь, нефть, почва? Что составляет биосферу т. е. её компоненты?

Биосфера включает: живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное, которое создаётся в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, осадочные породы), косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (к ним относятся магматические и метаморфические горные породы), биокосное вещество, построенное из живого и косного (к ним относятся природные воды и почвы).

-Итак, каковы же основные компоненты биосферы?

Компоненты биосферы:

А) Живое вещество – «совокупность всех живых организмов планеты, в данный момент   

существующих, численно выраженная в элементарном химическом составе, весе, энергии»                    

                                                                                                                  (по В.И.Вернадскому)   

Это вещество геохимически чрезвычайно активно, т.к. связано с окружающей средой биогенным потоком атомов при осуществлении процессов дыхания, питания, размножения. Благодаря этому потоку почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов – это глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду. Эта миграция была бы невозможной, если бы элементарный химический состав организмов не был близок химическому составу земной коры.

В.И.Вернадский писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».

 Благодаря зелёным хлорофиллоносным растениям, осуществляется процесс фотосинтеза, в биосфере создаются сложные по строению молекулы с большими запасами заключённой в них энергии. Без живого вещества работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твёрдых тел по поверхности планеты и к временному их нагреванию. Живое вещество выступает в качестве аккумулятора и уникального трансформатора связанной лучистой энергии Солнца. Улавливание солнечной энергии  осуществляется преимущественно растительным миром. Но в удержании и преобразовании её по земной поверхности, а также перенос из внешнего в более глубокие слои планеты принимает участие всё живое вещество. Этот процесс осуществляется благодаря размножению и последующему росту организмов.

Скорость размножения их (по В.И. Вернадскому) «это скорость передачи в биосфере геохимической энергии».

Элементарной и структурной единицей биосферы является биогеоценоз – биом.

Б) Функции живого вещества в биосфере:

 - энергетическая - аккумуляция энергии Сол­нца и ее последующее перераспределение между живыми компонентами биосферы. В связи с этим необходимо отметить лишь  един­ственный на Земле процесс, который не тратит, а аккумулирует солнечную энергию, накапливает ее путем создания органическо­го вещества в результате фотосинтеза. Накопленная солнечная энер­гия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле  живое вещество превратило в хи­мическую энергию огромное количество солнечной энергии. При  этом существенная ее часть в ходе геологической истории накопи­лась в связанном виде (залежи угля, нефти и других органических веществ). В связывании и запасании солнечной энергии заключается ос­новная планетарная функция  живого вещества.

 - газовая - заключается в воздействии живых организмов в процессе своей  жизнедеятельности на газовый состав атмосферы, Мирового океана и почвы. Все аэробные существа при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а зеленые растения и цианобактерии в процессе фотосинтеза, наоборот, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Жизнедеятельность организмов, например бактерий, может влиять на концентрацию других газов (сероводорода, метана, азота и т.п.).

- окислительно-восстановительная - заключается в том, что с помощью живых   организмов в почве, воде и атмосферном воздухе окисляется ряд веществ. Например,   железобактерии способны окислять соединения железа, серобактерии - соединения серы и т.д. Живые организмы способны также и восстанавливать определенные соединении  (например, денитрифицирующие бактерии способны восстанавливать нитраты и нитриты до  молекулярного азота или его оксидов).

-  концентрационная -  заключается в поглощении живыми существами определенных химических элементов из окружающей среды и накопление их в своих  организмах.   

Кон­центрации элементов в телах живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Среди накапливаемых организмами элементов на первом месте стоит углерод, а среди металлов — кальций; концентраторами кремния являются диато­мовые водоросли, йода — бурые водоросли (ламинария), фосфо­ра — скелеты позвоночных  животных. Так, моллюски, фораминиферы, ракообразные, позвоночные животные могут                 накапливать в своих организмах неорганические соединения кальция и фосфора,    радиолярии - стронция и кремния, бурые водоросли - йода и т.д.

Растения концентраторы – осока и хвощ – накопление кремния в тканях, капуста и                 щавель – источники йода и кальция.

             Животные концентраторы – в скелете и мышцах океанических рыб – кальций и фосфор; в раковинах моллюсков – кальций. Организмы - накопители на длительное время приостанавливают  миграцию ряда элементов, выводят их из цикла обращения, обедняют живое вещество.

- деструктивная

- средообразующая

- транспортная.

             Проблемный вопрос: какой вы можете сделать, исходя  из функций живых организмов?

Вывод:

• живые организмы, обитающие на Земле, представляют собой сложную   систему преобразования энергии солнечных лучей в энергию геохимических процессов.

• живые организмы, регулируя круговорот веществ, служат мощным фактором,   преобразующим поверхность нашей планеты.

Заполнить таблицу, каждой функции дать характеристику происходящих процессов, пользуясь материалом учебника

1. Хемосинтезирующие бактерии приняли участие в образовании железных и марганцевых руд. О какой функции живого вещества идёт речь? (Окислительно - восстановительной).

2. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты влияет на скорость и интенсивность процессов. Какую здесь функцию выполняет живое вещество биосферы? (Концентрационную).

3. Какая функция живого вещества проявляется в ходе биохимических реакций, протекающих в живых организмах, с изменением валентности элементов?

4. В процессе фотосинтеза зелёные растения поглощают углекислый газ, синтезируют органические вещества и обогащают атмосферу кислородом. О каких функциях идёт речь?

В) Биогенное вещество -  оно создается в процессе жизнедеятельности организмов (природный газ, нефть, сапропель, каменный и бурый уголь, торф, мел, известняк, горючие сланцы, руды железа и марганца).

Г) Косное вещество – оно формируется без участия живых организмов (результаты    движения  земной коры, деятельность вулканов, метеориты).

Д) Биокосное вещество – оно представляет собой совместный результат жизнедеятельности  организмов и небиологических процессов (почва).

Биомасса

          В процессе деятельности биосферы живое вещество (продуценты) способна накапливать солнечную световую энергию, превращая ее в энергию химических связей. Суммарная первичная продукция автотрофных организмов определяет биомассу биосферы в целом. Ученые подсчитали, что благодаря фотосинтезу ежегодно живое вещество Земли продуцирует около 160 млрд т сухого органического вещества, из которого примерно 1/3 синтезируется биогеоценозами Мирового океана, а 2/3 - биогеоценозами суши.

Биомасса живых организмов суши представлена на 99,2% - зелёными растениями, и на 0,8 % - животными и микроорганизмами. Биомасса океана такова: на долю растений приходится 6,3 %, на долю животных – 93,7 %. Величина биомассы для всей планеты  - на долю растений приходится 95 %, на долю животных - 5 %. В целом биомасса составляет лишь 0,01% массы всей биосферы.

По массе доля живого вещества составляет 0,01 – 0,02 % от массы косного вещества. 

- Зная состав, строение, что ещё необходимо знать о живом веществе биосферы?

- Живое вещество биосферы выполняет несколько функций. Какие же это функции?

Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю заполнить таблицу.

Проверяем (высвечивается таблица на доске). (ДЗ)

Основные функции живого вещества в биосфере

Из множества связанных друг с другом круговоротов отдельных биогеоценозов складывается установившийся за многие миллионы лет глобальный биогеохимический круговорот веществ биосферы, поддерживающий устойчивость жизни на планете.

Назовите известные вам химические элементы, включенные в активный круговорот живыми организмами?

Кислород, углерод, фосфор, азот, кальций сера, магний и другие.

Эти элементы называются биогенными (циклическими).

Различают два типа биогеохимических круговоротов: круговороты газов (углерод, кислород, азот и др.) и осадочные круговороты (сера, фосфор, кальций и др.).

Рассмотрим круговорот углерода (объяснение по таблице):

Зеленые растения и фотоавтотрофные бактерии в процессах фотосинтеза и хемоавтотрофные бактерии в ходе хемосинтеза превращают углекислый газ и углеводы в другие органические вещества. Зеленые растения, фотоавтотрофные и хемоавтотрофные бактерии – продуценты в биогеоценозах. Одна часть органических веществ откладывается в виде запасов нефти, каменного угля, торфа, природного газа, гумуса. Другая часть потребляется гетеротрофами – консументами (животными, бактериями и грибами), в дальнейшем – большая часть его окисляется в процессе дыхания и брожения с освобождением углекислого газа. Трупы, экскременты, остатки гетеротрофов, растительный опад используются сапрофитами – редуцентами (бактериями, грибами) и также окисляются в процессе энергетического обмена. Большую роль в минерализации органического углерода выполняет горение. Углекислый газ поглощается автотрофами, замыкая цикл. Часть углекислого газа также депонируется, превращается в нерастворимые соли (карбонаты кальция и магния). Депонированный в виде топлива и гумуса органический углерод и депонированный в виде карбонатов неорганический углерод вовлекается в бактериальное окисление нефти, глубокое разрушение гумуса, растворение карбонатов кислотами, сжигание топлива и т.д.

Просмотр фрагмента видеофильма “Круговорот азота”.

Задание перед просмотром: Составьте схему “Круговорот азота” в рабочей тетради.

Закрепление изученного

Задание: Дополните схему “Круговорот азота” используя материалы учебника на С.135-136. Задание на 3 минуты.

Вопросы для фронтальной беседы:

1. Какие этапы круговорота азота могут осуществляться без участия организмов, а какие – нет?

2. Какова роль свободноживущих и симбиотических азотфиксирующих бактерий в круговороте азота?

3. Вследствие чего возникли нитратные загрязнения окружающей среды?

4. В чем заключается процесс денитрификации?

5. Чем отличается круговорот азота от круговорота углерода?

6. Каково влияние человеческой деятельности на круговороты азота, углерода?

         Закрепление

Выберите из предложенных суждений те, которые вы считаете правильными:

1.  Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов.

2.  Биосфера – это открытая система.

3. Живое вещество в биосфере выполняет биогеохимические и концентрационные функции.

4. Высший уровень организации жизни на Земле – биогеоценотический.

5. Нижняя граница обитания живых существ проходит в литосфере на глубине 2–3 км.

6. Живые организмы, регулируя круговорот веществ, служат мощным геологическим      фактором, преобразующим поверхность нашей планеты.

7. Весь кислород атмосферы образован в результате жизнедеятельности автотрофных  организмов.