Учение В. И. Вернадского о биосфере Круговорот веществ и поток энергии в природе

Цель урока:

· Обуч. Углубить знания учащихся о структуре и функции биосферы, её продуктивности. А так же ознакомить учащихся с видами круговоротов веществ.

· Развив. Сформировать у школьников умение объяснять причины и следствия процессов, происходящих при круговоротах.

· Воспит. Убедить старшеклассников в том, что в биосфере всё взаимосвязано.

Методы активизации мыслительной деятельности 3-5 мин.

Орг. момент. План урока.

Методы контроля знаний (опрос) 5-7 мин.

1. Объясните понятие биогеоценоза.

2. Выделите и расскажите о основных свойствах экосистем.

3. Экосистема - город.

4. Агроценоз.

Основная часть (изучение нового материала).

Термин «биосфера» ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс, который принимал за биосферу все живые организмы Земли. Это понятие уточнил, дополнил и существенно развил великий русский ученый В.И. Вернадский в своей книге «Биосфера» (1926). В ней впервые показано, что Земля является единой динамичной системой, населенной жизнью.

В. И. Вернадский доказал, что химическое состояние земной коры всецело находится под воздействием населяющих ее организмов. В его учении о биосфере рассматривались не только основные свойства живой материи и влияние на нее окружающей среды, но и было раскрыто грандиозное обратное влияние жизни на абиотическую (неживую) среду (атмосферу, гидросферу и литосферу). Впервые географическая оболочка Земли предстала как единое целое.

Учение В. И. Вернадского дало мощный импульс для развития экологии и смежных с нею наук, таких как география и геология.

Структура и функции биосферы. Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км. (Здесь находится озоновый слой Земли.) Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитирующим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину Мирового океана, что подтверждает обнаружение живых организмов и органических отложений до глубины 10-11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии. Живые организмы обнаружены до глубины примерно 7,5 км.

Атмосфера состоит в основном из азота (78%) и кислорода (21 %). В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно - биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород и углекислый газ. Кислород необходим для дыхания организмов и минерализации отмершего органического вещества. Несмотря на небольшое содержание в атмосфере (0,03%), углекислый газ играет очень важную роль в образовании путем фотосинтеза практически всех органических соединений.

Также очень невелико в верхних слоях атмосферы содержание озона (трехатомный кислород), который сохраняет все живое на Земле от губительной ультрафиолетовой радиации. Некоторые организмы могут находиться в атмосфере постоянно — это микроорганизмы. Временно находятся в атмосфере летучие мыши, птицы, насекомые. За всю историю Земли состав атмосферы существенно изменился. Миллиарды лет в ней не было кислорода. Весь кислород атмосферы образовался за счет жизнедеятельности зеленых растений. Также благодаря деятельности зеленых растений в атмосфере уменьшилась в десятки раз концентрация углекислого газа. Этот углерод углекислого газа накоплен в недрах Земли в виде угля, нефти и горючих газов - метана, пропана и бутана.

Гидросфера является одним из важнейших компонентов биосферы. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который включает в себя все океаны и моря и занимает примерно 70% поверхности земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км2. Около 24 млн. км2 воды содержится в ледниках. Причем, 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Воды озер и рек в совокупности составляют менее 0,2% от объема гидросферы.

Кроме воды в гидросфере содержатся растворенные в ней кислород и углекислый газ. В гидросфере проживает огромное количество организмов, начиная от микроорганизмов и кончая такими крупными млекопитающими, как дельфины и киты.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена на поверхности Земли и в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров (рис. 109). Почвы в основном представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами - продуктами жизнедеятельности организмов. Литосфера существенно менялась в ходе эволюции Земли. Ее почвенный слой во многом создан благодаря жизнедеятельности самых разных организмов. О геологической роли живых организмов говорит тот факт, что огромные меловые горы образованы благодаря только жизнедеятельности водных организмов, имеющих известковые раковины.

Живые организмы (живая материя). В настоящее время описано около 0,5 млн. видов растений, более 1,5 млн. видов животных, 100 тыс. видов грибов и огромное количество видов микроорганизмов. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями и на 0,8% животными и микроорганизмами.

Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4% - на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно десятую часть.

Хотя живая материя составляет по своей массе лишь небольшую часть от окружающей ее среды, тем не менее именно она оказывает существенное влияние на окружающую среду, вовлекая огромные массы вещества в круговорот, обусловленный метаболизмом живых организмов.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет более 200 млрд. т органического вещества. В течение года в состав живой материи вовлекаются 6 млрд. т азота, 2 млрд. т фосфора и другие элементы, например, калий, кальций, сера, железо. Приведенные цифры показывают, что живая материя является наиболее активным компонентом биосферы. Она производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию других оболочек Земли в геологическом масштабе времени.

Продуктивность биосферы является одной из важнейших экологических характеристик. Это суммарное количество биомассы, образованной какой-либо совокупностью растущих и размножающихся особей за конкретный период времени, или скорость ее образования. (Продуктивность группы животных или растений определяют как совокупность приростов биомассы всех особей, входивших в ее состав в течение данного интервала времени, в том числе и погибших.)

Величину продуктивности обычно относят к единице площади или объема, например, годовую продуктивность рыб выражают в кг/га, планктона - в г/м3 и т. д. Иногда продуктивность понимают как характеристику продукционного процесса за некоторый момент времени и относят к его определенному отрезку (сутки, месяц, год).

Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика биомасса тропических лесов) и гидросферы, где развиваются зеленые растения и живущие за их счет гетеротрофные организмы (рис. 110). Более 90% всего живого вещества биосферы, образованного главным образом углеродом, кислородом, азотом и водородом, приходится на наземную растительность (97—98% биомассы суши). Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1,8-2,5·1018 г (в пересчете на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть массы биосферы (3·1024 г).

Продуктивность лугов и пастбищ составляет не более 1—2 т/га. Более высокую продуктивность имеют тропические леса — до 20 т/га. Примером наивысшей продуктивности среди растений являются агроценозы, созданные человеком. Так, культурные растения дают на полях 2-3 т/га, тогда как имеются сорта озимой пшеницы, которые дают до 20 т/га. Картофель дает до 50 т/га. Рекордсменом среди культурных растений является сахарный тростник, который за один сезон может дать до 120—200 т/га продукции.

Физминутка.

Повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее цикличный характер, называются круговоротом веществ. Огромную роль в круговоротах веществ играют живые организмы. Основной характеристикой биосферы является обеспечение круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот (связанный с жизнедеятельностью организмов) осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органические вещества, которые используются другими живыми существами и затем разлагаются до основных неорганических соединений (углекислый газ, аммиак и вода), вовлекая их обратно в круговорот веществ в биосфере.

Огромную роль в этом процессе играет круговорот воды между литосферой, гидросферой и атмосферой. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря. (Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды.)

Благодаря круговороту воды в биосфере одновременно с ней переносятся огромные массы других неорганических и органических молекул, вовлеченные в общий круговорот веществ и энергии в биосфере. Под влиянием этого процесса происходит постепенное разрушение литосферы, перенос ее компонентов в глубины морей и океанов. На создание органического вещества расходуется всего 0,1-0,2% солнечной энергии, достигающей поверхности планеты.

В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода, азота, серы и фосфора.

Круговорот углерода начинается с фиксации зелеными растениями атмосферного углекислого газа в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов растения используют для построения собственного организма и на собственные энергетические нужды. Часть накопленного растениями органического вещества используется консументами — животными и грибами. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Остатки растений и животных разлагаются редуцентами также с выделением углекислого газа.

Круговорот азота тоже охватывает все области биосферы (рис. 111). Хотя запасы газообразного молекулярного азота в атмосфере практически неисчерпаемы, лишь немногие виды растений (например, бобовые) способны усваивать эту форму азота благодаря наличию у них особых симбиотических микроорганизмов. В основном же неорганический азот попадает в почву и атмосферу благодаря грозовым разрядам, которые превращают молекулярный азот в его окислы. Эти окислы могут усваиваться всеми растениями.

Следующий путь поступления усвояемого азота в почву и атмосферу возникает при распаде остатков растений и животных. В биосферу азот вносится также человеком в виде удобрений. Растения обладают способностью усваивать неорганические минеральные формы азота в виде аммонийных и нитратных солей. Они переводят их в органические формы - аминокислоты белков и азотистые основания нуклеиновых кислот.

Круговорот серы. Сера входит в состав клеток всех живых организмов в виде молекул аминокислот и является жизненно важным элементом. Она содержится в природе в виде сульфидов, сульфатов и сероводорода. Сульфиды металлов находятся в почве и в морских осадочных породах, которые окисляются микроорганизмами до сульфатов. В растворенном виде сульфаты усваиваются растениями, затем по пищевым цепям поступают в организмы животных и человека в виде серосодержащих аминокислот. В почву сера снова возвращается в результате разложения остатков растений и трупов животных микроорганизмами.

Сернистый газ выделяется в атмосферу при сжигании каменного угля, сланцев, нефти, при выплавке железа, меди, производстве серной кислоты и др. При высокой концентрации сернистого газа во влажную погоду в промышленных районах образуется ядовитый кислотный туман, который губительно действует на все живые организмы.

Загрязнение атмосферы окислами серы нарушает процессы фотосинтеза зеленых растений, приводя к их гибели.

Круговорот фосфора. Фосфор содержится в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы или вносится человеком на поля в виде фосфатных удобрений. Растения усваивают только часть фосфора, остальные фосфаты уносятся реками в моря и океаны и снова отлагаются в осадках. В большом количестве фосфор содержится в организмах рыб. Вместе с выловленной рыбой фосфор снова возвращается на сушу.

Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа и кислорода. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, а углекислый газ — за 300 лет.

Благодаря биотическому круговороту биосфере присущи определенные геохимические функции:

1. Газовая - биогенная миграция газов в результате фотосинтеза и азотфиксации;

2. Концентрационная - накопление живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде;

3. Окислительно-восстановительная - изменение состояния вещества. Вода под воздействием света превращается в листьях в молекулы кислорода, а водород идет на восстановление неорганических соединений. Углекислый газ превращается в листьях в углеводы и жиры;

4. Биохимическая - сложнейшие превращения разнообразных веществ в организмах.

Текущий контроль, закрепление материала 5-7 мин. Р.Т.

Итоговый контроль. Анализ урока. П. № 57, 58.