Материалы дистанционного урока «Биосфера – глобальная экосистема». Общая биология
план-конспект занятия

Материалы дистанционного урока . Общая биология

Раздел 6. Основы экологии

Тема занятия: Биосфера – глобальная экосистема.

Цель занятия: изучить учение Вернадского о биосфере; роль живых организмов в биосфере; биомасса; круговорот важнейших биогенных элементов в биосфере; биосфера и человек.

Информационное обеспечение:

1. Тупикин, Е. И. Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности [Текст]: учеб.пособие для нач. проф. образования: Учеб.пособие для сред. проф. образования / Е. И. Тупикин. – 2-е изд., стереотип. – М.: Академия, 2010. – 384 с.: ил.

Задание:     

1. Прочитать текст

Учение В. И. Вернадского о биосфере. Роль живых организмов в биосфере:

Биосфера — это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Термин был введен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом в работе «Происхождение Альп», рассматривающим биосферу в чисто топологическом (от греч. topos — место) смысле как пространство, заполненное жизнью. Развернутое учение о биосфере создано и разработано советским естествоиспытателем академиком В.И. Вернадским.

Основы этого учения, изложенные им в 1926 г. в классическом труде «Биосфера», сохраняют свое значение в современной науке. Учение Вернадского о биосфере — крупнейшее обобщение в области естествознания XX в. Оно знаменует собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

С одной стороны, В.И.Вернадский рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане ученый различает газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие биосферы — области распространения жизни.

С другой стороны, Вернадский подчеркивал, что биосфера — не просто пространство, в котором обитают живые организмы, а целостная функциональная система, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана. Слой атмосферы, вся гидросфера и часть литосферы, где постоянно или временно (случайно) присутствуют живые организмы и те слои, преобразованные в прошлом жизнью или испытавшие влияние «былых биосфер», называют мегабиосферой. В целом мегабиосфера представляет собой сумму биосферы и метабиосферы — преобразованного жизнью глубинного слоя литосферы, в котором ныне живущие организмы не присутствуют.

Совокупность мегабиосферы и артебиосферы — того слоя, в котором летают обитаемые искусственные спутники Земли, — представляет собой панбиосферу. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни». Вертикальная мощность такого «поля существования жизни» в океанах достигает более 17 км, на суше — 12 км. При этом значительных величин достигает толща мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже самых больших глубин океана — 11 км (здесь температура достигает 200 °С) и не поднимается выше наибольших плотностей озонового экрана: 22-24 км.

Следовательно, ее максимальная толщина 33-35 км. Теоретически пределы биосферы намного шире, поскольку в гидротермах на дне океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250 "С. При давлении около 300 атм вода здесь не кипит, и в этих условиях организмы выживают (пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и денатурации «сворачивания» белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура 460 °С, когда при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.

Ученый выделил в биосфере 7 глубоко разнородных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество (все живые организмы), биогенное вещество (геологические породы, созданные деятельностью живого, — горючие ископаемые, известняки, каменный уголь), косное вещество (геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими, например магматические горные породы), биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы, например почва, океанические воды, нефть), радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Центральным звеном в учении В. И. Вернадского о биосфере является представление о живом веществе. Он первым постулировал тезис об исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Общая масса живого вещества составляет незначительную часть массы биосферы. Тем не менее ученый, опираясь на многочисленные данные, считал живое вещество наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития. По словам В.И.Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Участие каждого отдельного организма в геологической истории ничтожно мало. Но в своей совокупности живые существа — особый, глобальных размеров фактор. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

От других компонентов природы живые существа отличаются большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности, очень высокой химической активностью. В. И. Вернадский разработал представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, — писал Вернадский, — имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему»

В.И.Вернадский обосновал важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т.е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов. Организмы связаны с «окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением». Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот веществ и перемещение энергии. С круговоротом веществ связана биогенная миграция атомов (С, Н, О, N, P, S, Fe, Mg, Mo, Mn, Cu, Zn, Ca, Na, К и др.), отражающая способность живого вещества перераспределять атомы в биосфере. Многие организмы обладают способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, при очень малом содержании их в окружающей среде.

Например, железобактерии способны аккумулировать из среды обитания железо; многие моллюски и кишечнополосные — кальций; хвощи, диатомовые водоросли, радиолярии — кремний; губки — иод; асцидии — ванадий. Отмирая и откладываясь в массе, организмы образуют скопления этих веществ, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и других соединений. Возникают залежи известняков, бокситов, осадочная железная руда. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо. В живых организмах протекают сложнейшие биохимические процессы. Материал и энергию живые существа берут в окружающей среде. Следовательно, они преобразуют среду уже только тем, что живут.

Живое вещество активно участвует также в грандиозных процессах перемещения, миграции атомов в биосфере через систему глобального круговорота веществ. Наиболее значимыми элементами круговорота веществ являются углерод, кислород, азот, фосфор и сера. Процессы круговорота происходят в конкретных экосистемах, но в полном виде биогеохимические циклы реализуются лишь на уровне биосферы в целом. Таким образом, живое вещество представляет собой самую активную форму материи во Вселенной. Оно производит гигантскую геохимическую работу, выполняя ряд важнейших функций живого вещества в биосфере. В.И.Вернадский выделяет пять таких функций:

— первая функция — газовая: преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза; все подземные газы — продукт разложения отмершей органики. В целом благодаря газовой функции живого вещества происходят миграции газов и их превращение, формируется газовый состав биосферы;

— вторая функция — концентрационная: организмы извлекают и накапливают в своих телах многие химические элементы из окружающей среды, которые используются для построения их тел. Концентрации этих 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;

— третья функция — окислительно-восстановительная, обеспечивающая химическое превращение веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В результате организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (ванадий, марганец, железо) и неметаллов (сера) с переменной валентностью;

— четвертая функция — биохимическая, обеспечивающая размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества; — пятая функция — 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.

Важнейшей частью учения о биосфере В. И. Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. В эволюции биосферы как глобальной среды жизни выделяются пять основных исторических этапов, отражающих закономерность и последовательность формирования основных сред жизни:

I — возникновение и развитие жизни в воде;

II — появление у гидробионтов симбионтов (паразиты, мутуалисты), т.е. формирование новой среды жизни — организмов-хозяев;

III — заселение организмами суши со сформировавшимися новыми средами жизни: наземно-воздушной и почвой;

IV — появление человека и превращение его из обычного биологического вида в биосоциальное существо;

V — переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное состояние — ноосферу.

В целом учение о биосфере В.И.Вернадского заложило основы современных представлений о взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественно-научной основой рационального природопользования и охраны окружающей природной среды. Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере, т. е. сфере разума.

Биомасса. Круговорот важнейших биогенных элементов (на примере углерода, азота и др.) в  биосфере:

Кругооборот веществ в биосфере:

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический.

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течении длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом.

1. Кругооборот углерода.

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод - составная часть скальных пород и в виде СО- часть атмосферного воздуха. Источники СО - вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается СО с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО хорошо растворяется в воде (чем ниже температура - тем выше растворимость, т.е. СОбольше в низких широтах). Океан действует как гигантский насос: поглощает СО в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество СОв океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с Са, К, Na, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает СО. Умирая, организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

Углерод С из молекулы СО2в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО2.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе - так возникает био- технический кругооборот углерода.

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4- 10т). Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т).

2. Кругооборот фосфора.

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток, в костную ткань. В различных минералах фосфор содержится в виде ионов PO. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают ионы POиз водного раствора и включают в состав различных органов соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. На каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи.

Разница с кругооборотом углерода - в кругообороте углерода есть газообразная фаза (СО2), у фосфора - газовой фазы нет.

Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так и происходит. Фосфор может также поступать с моющими средствами и удобрениями.

Кругооборот азота.

Азот входит в состав белков.Кругооборот азота несколько сложен, т.к. он включает газообразную и минеральную фазу.Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH4+ и NO3-.

Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений. Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO3 ). Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N2, вновь поступающего в атмосферу.

Насколько регулярно осуществляется кругооборот любого элемента, зависит продуктивность экосистемы, что важно дляс/хозяйства и выращивания лесов. Вмешательство человека нарушает процессы кругооборота. Вырубка леса и сжигание топлива влияет на кругооборот углерода.

Считается, что время переноса

· углерода - 8 лет,

· азота - 110 лет,

· кислорода - 2500 лет.

Кругооборот воды.

Нам знакомы 3 состояния воды: твёрдое - лёд, жидкое - собственно вода, газообразное - водяной пар. Количество водяного пара в воздухе определяют как влажность, обычно в %.

Главный источник поступления воды - атмосферные осадки, а главный источник расхода - испарение.

Продолжительность кругооборота:

· океан (3000 лет),

· подземные воды (5000 лет),

· полярные ледники (8500 лет),

· озера (17 лет),

· реки (10 дней),

· вода в живых организмах - несколько часов

Т.к. океаны занимают 70% поверхности Земли, то вода попадает в воздух, главным образом, испаряясь с поверхности океана. Испарение идёт с поверхности озёр, рек, почвы и т.д.

Когда воздух, максимально насыщенный водяным паром, охлаждается, то вода конденсируется: её молекулы соединяются в капельки. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего образуются туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда становятся достаточно крупными, то идёт дождь или снег.

Вода, попадающая на землю, или впитывается в почву или стекает по ней. По поверхности вода стекает в ручьи, реки, далее в океан, где происходит испарение. Вода, впитавшаяся в почву, или удерживается в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей способности почвы, и возвращается в атмосферу при испарении, или просачивается вниз по трещинам под действием силы тяжести, достигая непроницаемого слоя горной породы, накапливается и называется грунтовыми водами. Далее вода вытекает на поверхность и образует родники, а родники питают ручьи и т.д.

При испарении в воздух поднимаются только молекулы воды, а соли и другие вещества остаются на земле. Когда водяной пар конденсируется из него образуется только вода. Т.о. земля и атмосфера работают как гигантский опреснитель и очиститель (опреснителя - солёная вода океана).

2. Проанализируйте приведенный ниже рисунок и опишите роль всех участников в биосфере.  Ответьте на вопрос, что произойдет при выпадении звеньев этой цепи?

Выполненное домашнее задание присылать на электронную почту.