§ 29. Биосфера – экосистема экосистем

Вопрос 1. Какое противоречие вы обнаружили? Сформулируйте главный вопрос урока.

Противоречие: жизнь, с одной стороны, могущество, а с другой, почти ничего (что-то хрупкое).

Вопрос: какие глобальные последствия существования жизни на Земле?

Вопрос 2. Что такое экосистема? (§ 25)

Экосистема – единство биотических (продуцентов, консументов и редуцентов) и абиотических (вода, воздух, почва, минеральные вещества и т.п.) компонентов природы, в котором сообщество совместно обитающих живых организмов способно общими усилиями поддерживать круговорот веществ.

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

Жизнь и жизнедеятельность организмов в значительной мере влияют на оболочки Земли: в частности, на образование осадочных горных пород, грунта, формирование атмосферы.

Благодаря деятельности фотосинтезирующих цианобактерий, газовый состав атмосферы постепенно изменялся: снижалась концентрация углекислого газа, метана, аммиака и др. Появились свободный кислород, концентрация которого примерно 2-3 млрд. лет назад достигла современной, и озоновый экран. Углекислый газ выделяется в атмосферу также вследствие деятельности редуцентов и аэробного дыхания большинства живых существ. Живые организмы влияют и на концентрацию в атмосфере азота. сероводорода, метана и т.д.

В создании осадочных горных пород участвуют организмы, способные накапливать в себе соединения кальция, кремния, фосфора. После гибели их останки опускаются на морское дно, где в результате химических процессов превращаются в различные осадочные породы (мел, известняк, трепел, кремнеземом, радиоляриты т.д.).

Образование каменного (ископаемые высшие споровые), бурого (ископаемые голосеменные) угля и торфа (мхи) вызвано особыми условиями преобразований отмерших остатков растений. Залежи железной руды - это преимущественно последствия деятельности на протяжении всего существования биосферы хемотрофных железобактерий. Есть гипотезы о биогенное происхождение нефти, природного газа, горючих сланцев и т.д. В накоплении кремнеземовых осадочных пород участвуют простейшие - радиолярии и диатомовые водоросли. Залежи фосфоритов и апатитов (соли фосфорных кислот, которые используются как минеральные удобрения и сырье для промышленности) образованы остатками особых вымерших групп морских животных, имевших раковины из фосфата кальция.

Что позволяет живым организмам использовать ограниченный запас минеральных веществ на Земле в течение миллиардов лет?

Живым организмам, ограниченный запас минеральных веществ на Земле, позволяет использовать круговорот веществ, с помощью редуцентов связанные в органике вещества расщепляются и уже по новому кругу используются живыми организмами.

Вопрос 3. Какова роль живых организмов в круговоротах?

Круговорот веществ — необходимое условие существования биосферы. Каждое звено биологического круговорота веществ проделывает огромную работу: 1) создание растениями в процессе фотосинтеза органических веществ из неорганических (первичная продукция). Роль растений в поглощении и использовании световой энергии Солнца, в преобразовании ее в энергию химических связей; 2) превращение животными первичной продукции во вторичную (животную). Роль – использование животными, грибами, значительной частью бактерий органических веществ и заключенной в них энергии; 3) разрушение первичной и вторичной продукции бактериями и грибами. Роль – освобождение энергии и химических элементов, заключенных в органических веществах, в процессах дыхания (окисления), брожения, гниения.

Живые организмы включают в биологический круговорот различные химические элементы (кислород, углерод, азот) и вещества (воду), они переходят из внешней среды в организмы, перемещаются по цепям питания, возвращаются во внешнюю среду. Эти вещества многократно используются живыми организмами в круговороте.

Вопрос 4. Из каких элементов состоят живые организмы? Назовите четыре основных элемента, составляющие 99% их массы.

В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных. В среднем около 69% массы организмов составляет кислород, 18% - углерод, 10% - водород (вещества-органогены). Далее идут азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор, железо. Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов, нередко называют макроэлементами.

Во всех живых организмах – 99% химического состава приходится на четыре элемента: кислород, углерод, водород, азот.

Вопрос 5. 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?

Примером перехода неорганического углерода в органический и обратно можно продемонстрировать при прямом синтезе метана из неорганических веществ С + 2Н2 ↔ СН4, C + O2 = CO2.

Органические соединения: С6Н12О6 (глюкоза участвует в фотосинтезе).

Нуклеотиды служат строительными блоками (мономерами) для больших, а часто и огромных молекул нуклеиновых кислот.

АТФ играет роль энергетического переносчика.

Аминокислоты, соединяясь в различной последовательности, образуют различные структуры. Белки актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Белки выполняют и структурную (опорную) функцию, среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др.

Вопрос 6. Почему озон активнее поглощает ультрафиолетовое излучение, чем молекулярный кислород?

Озон химически активнее кислорода. Активность озона объясняется тем, что при его разложении (при воздействии ультрафиолетового излучения) образуется молекула кислорода и атомарный кислород. Активность озона объясняется и тем, что озон — неустойчивое вещество. Поглощая солнечный ультрафиолет, молекулы озона разрушаются, образуя атомы кислорода. Но озоновый слой при этом не исчезает — устанавливается равновесие между количеством озона и атомами кислорода, причем более высокому уровню ультрафиолета соответствует более низкая концентрация озона.

Вопрос 7. Какой процесс позволяет живым организмам усваивать энергию солнечных лучей? Как она используется в цепях питания?

Процесс, позволяющий живым организмам усваивать энергию солнечных лучей, называется фотосинтезом. Именно для синтеза органических веществ из углекислого газа и воды нужна энергия солнечного света. Эта энергия переходит из одного трофического уровня на другой по правилу 10%. Часть расходуется на поддержание жизнедеятельности организма, а часть выделяется в виде тепла.

Вопрос 8. Как организмы участвовали в образовании известняков? Какие ещё горные породы образовались с участием живого вещества?

Морские известняки имеют органическое происхождение, а именно зоогенное, т. е. являются скоплениями известковых частей погибших животных. Наглядным примером такого образования И. является мел и глубоководные известковые осадки; позднейшая их метаморфизация и перекристаллизация постепенно превращает эти скопления остатков корненожек, моллюсков и т. п. в плотную и даже кристаллическую массу.

Морские животные (корненожки, кораллы, моллюски), нуждающиеся в извести для своих твердых покровов, получают ее из морской воды, где имеется в растворе сернокислая известь. В организме животных она перерабатывается в углекислую, а после смерти этих организмов их твердые покровы, скопляющиеся на дне моря, дают начало процессу образования известняков.

С участием живого вещества образовались такие осадочные горные породы как мел, диатомит, торф, уголь, нефть, газ.

Вопрос 9.Объясните, как растения ограничивают эрозию.

Эрозия почвы — это разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в результате действия воды и ветра. Надземные части растений или растительный покров, уменьшая силу падения дождевых капель, в значительной степени предохраняют почву от эрозии. На почвах, защищенных сомкнутым растительным покровом, эрозия сводится к минимуму. Деревья и другие растения удерживают дождевые осадки, участвуют в регулировании уровня грунтовых вод, защищают почву от ветра и мороза, корни способствуют увеличению стабильности склонов.

Вопрос 10. Как сукцессии экосистем влияют на минеральный субстрат и абиотические факторы среды?

Минеральный состав субстрата в ходе сукцессий экосистем обогащается и накапливается за счет разлагающегося органического вещества, или гумуса, состоящего из остатков детрита и микроорганизмов.

Начальные стадии сукцессий практически не влияют на абиотические факторы среды. На них влияет, главным образом, растительность экосистемы, которая на ранних этапах не сформирована (не образует некого барьера для абиотических факторов). По мере смены стадий сукцессии, изменяется растительность: невысокие кустарники сменяются высокими деревьями, изменяются растения под пологом. А лесное сообщество обеспечивает постоянство условий среды: освещенность и сила ветра меньше, чем на открытом пространстве (начальные стадии сукцессии), а температура и влажность выше, чем на более открытом пространстве.

Вопрос 11. Почему природа не всегда способна справиться с загрязнениями? Любые ли вещества могут разлагать живые организмы?

Природа не всегда способна справиться с загрязнениями, потому что их количество превышает тот объем, с которым более ли менее могут справиться живые организмы. Другой причиной может являтся качество загрязнений. Третья причина кроется в отсутствии у живых организмов необходимых ферментов для преобразования того или иного «мусора».

Человек так заинтересован в производствах, что о выбросах в атмосферу почти не задумывается. К загрязняющим веществам в выбросах относятся: диоксины, нафталины, хлорбензолы, ароматические углеводороды, летучие органические соединения, тяжелые металлы, в том числе ртуть, кадмий, свинец и многие другие. Эти вещества токсичны, не разлагаются живыми организмами и способны к накоплению в последних. Такие продукты химического производства как полипропиллен и пластик почти не разлагаются живыми организмами, по причине отсутствия у последних необходимых ферментов.

Вопрос 12. Во сколько раз масса каждой сферы Земли превосходит массу живого вещества?

Масса литосферы превосходит массу живого вещества примерно в 1,3 •106 раз, масса гидросферы – примерно в 1,03 •106 раз, масса атмосферы – примерно в 3,83 •103 раз.

Вопрос 13. Какая часть биосферы обладает наибольшей скоростью обновления? Во сколько раз эта скорость больше, чем в других частях?

Наибольшей скоростью обновления обладает живое вещество. Скорость обновления очень отличается от остальных частей биосферы. Например, обновление проходит в 3333 раза быстрее, чем в атмосфере, в 500 раз быстрее, чем в гидросфере и в 5000000 раз быстрее, чем в литосфере.

Вопрос 14. Что такое биосфера, из каких частей она состоит, каковы её границы?

Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера охватывает всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы (до нижней границы озонового слоя, 20 – 25 км), верхнюю часть литосферы (до глубины 3 – 3,5 км). Биосфера состоит из костного, биокостного и биогенного веществ.

Вопрос 15. Какова роль круговоротов в биосфере?

Круговорот веществ и превращение энергии – основа существования биосферы. Круговороты способствуют превращению и перемещению веществ в природе, т. е. циркуляции веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами.

Вопрос 16. Какую роль играет живое вещество и в чём причина его могущества?

Живое вещество представляет собой ничтожную часть биосферы, однако именно живому веществу принадлежит, по мнению Вернадского, главная роль в формировании земной коры. В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Выделяют пять основных функций живого вещества:

1.Энергетическая. Заключается в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе, а химической энергии – путем разложения энергонасыщенных веществ и передаче энергии по пищевой цепи разнородного живого вещества.

2.Концентрационная. Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества. Выделяют два типа концентраций химических элементов живым веществом: а) массовое повышение концентраций элементов в среде, насыщенной этим элементов, например, серы и железа много в живом веществе в районах вулканизма; б) специфическую концентрацию того или иного элемента вне зависимости от среды.

3.Деструктивная. Заключается в минерализации необиогенного органического вещества, разложении неживого неорганического вещества, вовлечении образовавшихся веществ в биологический круговорот.

4.Средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды (главным образом за счет необиогенного вещества).

5.Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

Существует четыре причины могущества живого вещества: 1. Высокая каталитическая активность ферментов. Они могут работать непрерывно, если обеспечены приток химических реагентов и отток продуктов реакции. 2. Гигантская поверхность внутриклеточных мембран, на которых проходят важнейшие биохимические реакции. Мембраны разделяют и поддерживают ход многих реакций в клетке одно временно. 3. Вертикальная структура биоценозов, благодаря кот рой огромная светоулавливающая поверхность зелёных растений направляет космическую энергию в экологический круговорот. 4. способность организмов размножаться, приспосабливаться и быстро осваивать вновь возникающие источники питания.

Вопрос 17. Почему биосфера становится ноосферой?

Биосфера на современном этапе развития превращается в ноосферу – сферу разума. Человек стал могучей геологической силой, преобразующей лик планеты (образование агроэкосистем, добыча полезных ископаемых и др.). Судьба планеты определяется тем, насколько разумно человек распорядится своим могуществом.

Вопрос 18. Почему живое вещество не в состоянии справиться с экологическими проблемами, возникшими в результате деятельности человека?

Живое вещество на протяжении многих миллионов лет «жило» без человека и его воздействия на окружающую среду. А человек за короткий промежуток времени создал экологические проблемы, с которыми живое вещество не в состоянии справиться. Это происходит потому что: 1. Объем воздействий превышает тот объем, с которым более ли менее могут справиться живые организмы. 2. Качество загрязнений различное. 3. У живых организмов нет необходимых ферментов для преобразования того или иного «мусора». 4. Живая природа, да и косное вещество, обновляются с определенной скоростью, а воздействия человека на природу накапливаются.

Вопрос 19. С помощью иллюстраций из Интернета создайте презентацию, показывающую, какой должна быть, а какой не должна быть ноосфера.

Например, какой должна быть ноосфера.