Биосфера - экосистема экосистем - РЕГУЛЯЦИЯ НА ПОПУЛЯЦИОННОМ И БИОСФЕРНОМ УРОВНЯХ

Постановка проблемы урока

На первый взгляд кажется, что жизнь - род “плесени”, местами покрывающей каменную оболочку Земли, щепка в руках могучих стихий неживой природы: ураганов, штормов, приливов и отливов, извержений вулканов, землетрясений. С другой стороны, роль организмов в создании облика планеты тоже велика, если вспомнить хотя бы о кислородной атмосфере, известняках и каменном угле.

• Какое противоречие вы обнаружили? Сформулируйте главный вопрос урока. (См. авторский вариант на с. 350.)

Необходимые базовые знания

• Что такое экосистема? (§ 25)

• Как влияет жизнь на состав атмосферы, образование горных пород? (§ 26)

• Что позволяет живым организмам использовать ограниченный запас минеральных веществ на Земле в течение миллиардов лет? (§ 25-26)

Решение проблемы

Биосфера и её границы

Биосфера - это геологическая оболочка Земли, охватывающая часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы вместе с населяющими их организмами.

Биосфера - самая большая экосистема, объединяющая в единый планетарный круговорот отдельные круговороты веществ каждой из экосистем. Как в любой экосистеме, живые организмы играют ведущую роль и в биосферном “хозяйстве”.

29.1. Пределы биосферы.

Круговорот углерода и азота в биосфере

29.2. Круговорот углерода в биосфере.

29.3. Круговорот азота в биосфере.

• Какова роль живых организмов в круговоротах?

Живые организмы состоят из лёгких элементов

• Из каких элементов состоят живые организмы? Назовите четыре основных элемента, составляющие 99% их массы. (§ 4)

Названные вами лёгкие элементы (с небольшой атомной массой) обладают двумя важнейшими качествами:

— они химически активны и подвижны, поэтому являются важнейшими участниками биосферного круговорота; жизнь стремится использовать более лёгкие изотопы этих элементов;

— они образуют как газообразные, так и жидкие и твёрдые соединения, что позволяет им участвовать одновременно в процессах дыхания и питания.

Круговорот элементов объединяет живую и неживую природу

29.4. Сопряжение круговоротов элементов - важнейших участников биосферного круговорота.

• Приведите примеры перехода неорганического углерода в органический и обратно. Поищите в учебнике примеры органических соединений, содержащих углерод, кислород, азот, фосфор, кальций, серу. В каких жизненных процессах они участвуют?

Биосферный круговорот непременно включает живые и неживые компоненты. Достаточно вспомнить о минеральном питании растений. Органическое вещество может быть вновь использовано растениями только после разложения редуцентами до неорганических составляющих. Связь между живым и неживым веществом в биосферном круговороте осуществляет миграция химических элементов, входящих в состав как органических, так и неорганических соединений. Чтобы рассматривать химические процессы биосферного круговорота в единстве, В.И. Вернадский назвал всю совокупность живых организмов особого рода живым веществом. От неживого оно отличается химическим составом и строением молекул.

Важнейшие функции живого вещества в биосфере

Создание кислородной атмосферы

Работа живого вещества превратила первичную восстановительную атмосферу Земли в современную окислительную атмосферу. Концентрация кислорода в ней составляет 21 %.

29.5. Озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение и защищает биосферу от его губительного действия.

• Почему озон активнее поглощает ультрафиолетовое излучение, чем молекулярный кислород?

Запасание энергии солнечных лучей в форме химических связей органических соединений

29.6. Превращение энергии в живом веществе.

• Какой процесс позволяет живым организмам усваивать энергию солнечных лучей? Как она используется в цепях питания?

29.7. Обнажение известняка.

• Как организмы участвовали в образовании известняков? Какие ещё горные породы образовались с участием живого вещества?

Воздействие на рельеф

29.8. Овраг.

29.9. Балка.

• Объясните, как растения ограничивают эрозию.

• Как сукцессии экосистем влияют на минеральный субстрат и абиотические факторы среды?

Самоочищение природы, загрязнённой человеком

29.10. Загрязнение реки необработанными сточными водами и последующее восстановление качества воды.

Под действием сточных вод количество растворённого в воде кислорода уменьшается (рис. 29.10, кривая слева), рыбы исчезают, и в зоне наибольшего разложения органики остаются только те организмы, которые способны получать кислород с поверхности (как личинки комара) или устойчивы к низким концентрациям кислорода. Когда бактерии разложат всё вещество, попавшее в реку, она вернётся в нормальное состояние.

• Почему природа не всегда способна справиться с загрязнениями? Любые ли вещества могут разлагать живые организмы?

Активность и могущество живого вещества

Круглый год в биосфере происходят испарение воды и выпадение осадков, образование и разрушение гор, круговорот веществ через экосистемы. Эти и другие физические, химические и биологические процессы превращают массы вещества одних компонентов в другие и обратно. Так происходит непрерывное обновление их состава.

Обновление крупнейших компонентов биосферы

Компоненты биосферы	Масса в составе биосферы	Обновление за год	Период полного обновления
Литосфера	2,08 • 1018 т	2 • 109 т	50 000 000 лет
Гидросфера	1,39 • 1018 т	278 000 • 109 т	5000 лет
Атмосфера	5,20 • 1015 т	156 • 109т	33 333 лет
Живое вещество	1,36 • 1012 т	136 • 109т	10 лет

• Во сколько раз масса каждой сферы Земли превосходит массу живого вещества?

• Какая часть биосферы обладает наибольшей скоростью обновления? Во сколько раз эта скорость больше, чем в других частях?

Учитывая, что обновление живого вещества невозможно без обновления других компонентов, мы можем оценить его вклад в регуляцию состава среды жизни. Что же определяет такое могущество живого вещества?

Во-первых, высокая каталитическая активность ферментов. Они могут работать непрерывно, если обеспечены приток химических реагентов и отток продуктов реакции.

Во-вторых, гигантская поверхность внутриклеточных мембран, на которых проходят важнейшие биохимические реакции. Мембраны разделяют и поддерживают ход многих реакций в клетке одновременно.

В-третьих, вертикальная структура биоценозов, благодаря которой огромная светоулавливающая поверхность зелёных растений направляет космическую энергию в экологический круговорот.

Наконец, в-четвёртых, способность организмов размножаться, приспосабливаться и быстро осваивать вновь возникающие источники питания.

Эти особенности живого вещества определили его могущество. В результате непрерывного действия на протяжении почти 4 млрд лет жизнь преображала нашу планету и создала возможность появления на ней разумных существ.

Ноосфера - сфера разума

Человек благодаря своему разуму достиг огромных результатов. Площади сельскохозяйственных угодий составляют 14 млн км², что больше площади всей таёжной зоны Земли. Средняя урожайность культивируемых земель (650 г/м²) выше таковой у продуцентов степей, а интенсивное сельское хозяйство развитых стран по урожайности (3500 г/м²) не уступает годовой продукции тропических лесов — наиболее продуктивных экосистем на Земле.

Современный человек научился извлекать энергию и вещество из биогенных полезных ископаемых, то есть использовать продукты деятельности биосферы, захороненные в недрах Земли в течение миллиардов лет.

Академик В.И. Вернадский, учитывая глобальную роль человека в переносе вещества и энергии, считал, что на современном этапе развития биосфера превращается в ноосферу - сферу разума. Человек стал могучей геологической силой, преобразующей лик планеты. Её судьба теперь и в самом деле определяется тем, насколько разумно человек распорядится своим могуществом.

Обобщение новых знаний

Самая большая экосистема на Земле - биосфера - объединяет круговороты веществ всех экосистем в единый глобальный биосферный круговорот. Важнейшая роль в биосфере принадлежит живому веществу, которое запасает и использует энергию солнечных лучей, контролирует круговорот химических элементов, изменяет состав атмосферы, гидросферы и литосферы. Разум человека выдвинул его в число важных геологических факторов и преобразовал биосферу в ноосферу, где многие глобальные изменения происходят при участии человека.

Биосфера, живое вещество, ноосфера

Применение знаний

1. Что такое биосфера, из каких частей она состоит, каковы её границы?

2. Какова роль круговоротов в биосфере?

3. Какую роль играет живое вещество и в чём причина его могущества?

4. Почему биосфера становится ноосферой?

5. Почему живое вещество не в состоянии справиться с экологическими проблемами, возникшими в результате деятельности человека?

6. С помощью иллюстраций из Интернета создайте презентацию, показывающую, какой должна быть, а какой не должна быть ноосфера.