Учебно-методическое пособие практикум «Учение о биосфере»


ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»




Т.А. Бадьина, Е.В. Михеева









ПРАКТИКУМ
УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ






















Екатеринбург
2012


УДК
ББК

БадьинаТ.А., Михеева Е.В. Практикум по биосфере. Екатеринбург: изд-во УГГУ, 2012. 31с.

Практикум подготовлен в соответствии с программой практических занятий по дисциплине «Учение о биосфере». Приведены методические рекомендации для проведения практических и лабораторных работ, в основе которых содержатся элементы аксиологического подхода. Содержание практикума направленно на нравственное осмысление человеком своих неразрывных связей с природой, этического отношения ко всему живому, взаимоотношение человека с биогеоценозами и со всей биосферой. Практикум дополнен вопросами и тестами для самостоятельной работы студентов.
Предназначен для подготовки студентов по специальности 022000 «Экология и природопользование»




















© Бадьина Т.А., Михеева Е.В.
© ФГБОУ ВПО «УГГУ»

Введение

Биосфера – глобальная экосистема, активная «оболочка» Земли, состав, структура и энергетика которой определяется и контролируется планетарной совокупностью живых организмов – биотой биосферы [1].
Биосфера – это сложная внешняя оболочка Земли, населенная организмами. Биосфера качественно отличается от всех других сфер Земли, так как в ее пределах проявляется геологическая деятельность живых существ: растений, животных, микроорганизмов, а на последнем этапе истории Земли – и человека[5].
Настоящий практикум предназначен для проведения практических работ по дисциплине «Учение о биосфере», который рассматривает фундаментальные положения учения о биосфере, разработанные В.И. Вернадским, новые идеи его последователей. Биосфера рассматривается как целостная система, эволюционирующая под влиянием деятельности живого вещества, которая ведет к пониманию сущности жизни, единства и многообразию живого на Земле, давая затем базу для понимания биологического и социального начал в человеке.
Содержание практикума базируется на гео-био-экологических знаниях, заложенных в полном школьном курсе биологии, и раскрывает фундаментальные представления наук о жизни на более глубоком естественнонаучном и философском уровне.
Основная цель всех практических занятий – формирование у студентов биосферного мышления, направленного на сохранение биосферы и целостного мировоззрения естественнонаучного направления. Кроме того, рассматриваются важнейшие философско-нравственные проблем, связанные с пониманием и признанием самоценности любой формы жизни, об этичном отношении к любой форме жизни, о нравственных пределах проникновения человека в окружающую среду.
Практические занятия «Учение о биосфере» формируют у студентов представление о взаимодействии атмосферы, почвы, океана и других природных систем как части единого целого – биосферы, о главном механизме, определяющий единство и целостность биосферы, - биологическом круговороте атомов, который является основным агентом химической работы, источником энергии которой служит Солнце.
Практикум содержит теоретические сведения, необходимые для осуществления практических и лабораторных работ, описание оборудования и материалов работ, поэтапную методику их проведения. Методические рекомендации по каждой из представленных работ дополнены контрольными вопросами с целью повышение качества усвоения учебного материала.

















Практическое занятие №1
Тема: Живое вещество биосферы

Введение понятия живого вещества позволило оценить совокупные результаты деятельности живых организмов и оценить их роль как наиболее активную по сравнению с действиями всех других природных факторов, действующих на поверхности нашей планеты. В результате стало ясно, что жизнь отнюдь не пассивно приспосабливается к существующей среде, она её активно изменяет и создаёт совершенно новую среду, с качественно иными характеристиками, чем те, которые должны были бы существовать на Земле в её отсутствие. Этому понятию и связанному с ним перевороту в научном сознании мы обязаны В.И. Вернадскому.
Вернадский определил живое вещество как «совокупность организмов, выраженную в единицах массы и энергии». В дальнейшем к числу количественных параметров, характеризующих живое вещество, добавился химический состав, что также было сделано ещё самим Вернадским (и, таким образом, заложены основы нового раздела науки – биогеохимии). Сейчас всё более широко используют новые характеристики (энтропия, информация). Таким образом, идея оказалась весьма плодотворной, и продолжает «подталкивать» развитие научной мысли.
Особую экологическую роль в биосфере играют граничные поверхности. Это границы между основными компонентами географической оболочки: литосфера – атмосфера, гидросфера - атмосфера, гидросфера – литосфера. Это не просто поверхности, где соприкасаются между собой оболочки с разными свойствами. Это зоны, где сконцентрирован основной объём процессов взаимодействия между компонентами ГО. Именно здесь протекает обмен веществом и энергией между ними. Здесь же сосредоточена основная часть массы живого вещества биосферы.
Главное физическое значение деятельности живого вещества, по В.И. Вернадскому, состоит в том, что оно, используя солнечную энергию, создаёт аккумулирующие эту энергию химические соединения, которые потом распадаются, и высвобождающаяся энергия производит химическую работу. В итоге, « всё бытие земной коры, по крайней мере 90% массы её вещества, в своих существенных с геохимической точки зрения чертах обусловлено жизнью». Этот тезис не только подтверждён всеми дальнейшими исследованиями на протяжении почти уже сотни лет. Наше представление о возможностях живых организмов производить подобную работу пополнилось (открытие представительных сообществ со значительной биомассой в океанических глубинах, выполняющих указанную функцию, но за счёт не солнечной энергии, а энергии вулканических процессов, т.е. глубинной энергии Земли). Это существенно расширяет понимание условий, в которых возможно существование жизни, при той же самой основной физико-химической функции живого вещества.
С информационной точки зрения, живые организмы создают огромное количество новых органических веществ. Образуются сотни тысяч органических соединений (ср. с минеральным веществом, число видов которого даже в поверхностных условиях измеряется тысячами). Изменение объёма одной лишь химической информации на два порядка (информационный взрыв). Плюс к этому – собственно биологическая информация (строение органов и их функциональные связи между собой, строение организмов, число видов которых насчитывает миллионы, связи между организмами и организация сообществ). Соответственно, общий объём информации на несколько порядков выше, чем в неживой природе.
Таким образом, при образовании живого вещества происходит:
аккумуляция энергии; увеличивается разнообразие, т.е. растёт объём информации (включая появление её качественно нового вида – информации биологической); возрастают сложность и упорядоченность организации материи; уменьшается энтропия.
Ещё одно специфическое свойство живого вещества – занимать в результате размножения все пригодные для данной формы жизни участки (по В.И. Вернадскому – «давление жизни»). Такая скорость распространения жизни максимальна для микроогранизмов (для холерного вибриона – 33 000 см/с), и даже для крупных животных имеет порядок десятые сантиметра в секунду.
Другой важный показатель – продуктивность, то есть количество биомассы создаваемое за единицу времени (за 1 год).
Биосфера не является замкнутой системой. Замкнутые системы вообще не могут быть устойчиво динамичными и развиваться. Если представить систему, в которую нет притока вещества и энергии извне, а она успешно функционирует, да ещё и развивается, это будет что-то вроде вечного двигателя, существование которого по законам физики невозможно. Вот и биосфера как система нуждается в постоянной «подпитке» извне. Основная доля такой «подпитки» - это та же самая энергия Солнца, которая обеспечивает и большинство абиогенных процессов в географической оболочке. В.И. Вернадский назвал биосферу «областью взаимодействия земного и космического, где лучистая энергия Солнца превращается живым веществом Земли в химическую, тепловую, механическую и другие формы».
Ведущая в современных земных условиях форма аккумуляции энергии живым веществом – фотосинтез. Это процесс формирования органических соединений (углеводов и др.) из СО2 и Н2О под влиянием хлорофилла или другого катализатора. Далее, перемещаясь по органам растения, продукты фотосинтеза вступают в разнообразные химические реакции, в результате которых создаётся всё разнообразие органических соединений в растениях. При этом используются и минеральные вещества, получаемые растением из водных растворов и почвы. В результате, заимствуемые из окружающей среды вещества входят в состав новых более сложных и богатых энергией органических соединений. При этом они становятся геохимически менее подвижными (биогенная аккумуляция). Химическое содержание в том, что в органических соединениях характерны преимущественно ковалентные связи, в связи с чем поведение большинства элементов в неживом и живом веществе различно.
В целом, рассмотрев влияние деятельности живых организмов на развитие всех внешних оболочек земли, можно выделить три основных аспекта:
Организмы являются непосредственными концентраторами элементов. В результате их накопления формируются толщи горных пород биогенного происхождения (угли, известняки, кремнистые и др. породы).
Живое вещество формирует физико-химические условия среды, в которой протекают природные процессы в географической оболочке.
Живое вещество изменяет вещественный состав всех внешних геосфер – от формирования современной атмосферы до образования гранитно-метаморфического слоя земной коры.
Первый аспект был ясен всегда, второй до работ Вернадского сильно недооценивался, третий только Вернадским и установлен (и его последователями подтвержден).
Закон Вернадского (формулировка А.И. Перельмана): Все процессы в биосфере осуществляются или при непосредственном участии живого вещества либо в среде, основные черты вещественного состава которой обусловлены живым веществом – как тем, которое в настоящее время населяет данную биокосную систему, так и тем, которое действовало на протяжении всей геологической истории.

Итак, роль живых организмов в трансформации биосферы заключается в изменении:
Состава атмосферы гидросферы (газовая фаза, состав солей)
Химизма ландшафтных сред на поверхности суши (химическая активность продуктов жизнедеятельности и разложения ОВ; вторичное возникновение восстановительных обстановок в областях накопления неразложившегося ОВ).
Биогенном выветривание.
Почвообразование.
Увеличение разнообразия природных обстановок в ГО.
Появление новых ветвей в геохимических круговоротах:новые ветви и качественные особенности в круговороте воды (биологическое поглощение, с целью использования воды для создания ОВ и как носителя, обеспечивающего биохимические и физиологические процессы в организме; транспирация; возможность задержания воды в почвах и рыхлых грунтах под защитой растительного покрова);
Влияние на геологический круговорот (концентрация отдельных элементов живыми организмами, биогенное осадконакопление);
Новый тип круговорота вещества – биологический круговорот, осуществляемый в процессах жизнедеятельности организмов и разложения органических веществ.

Цель: Сравнительный анализ химического состава живого вещества, клетки, гидросферы, атмосферы, литосферы через графическое представление.

Учебный материал: Таблицы химического состава живого вещества, гидросферы, атмосферы и земной коры. Циркули, линейки, простые и цветные карандаши.

Ход работы
1 часть
По таблице «Химический состав живого вещества, гидросферы, атмосферы, литосферы» выявите % содержание основных химических элементов (О2; Н2; С; N2; P; S) в живом веществе биосферы.
По таблице: «Химические соединения, содержащиеся в клетках организмах» выявите % содержание основных химических элементов (О2; Н2; С; N2; P; S) в клетках живых организмах.
Полученные данные запишите в обобщающую сводную таблицу «Сравнение химических элементов живого вещества биосферы, клеток живых организмов и сфер Земли».
Сравните % содержание химических элементов О2; Н2; С; N2; P; S в живом веществе и клетках живых организмах.
Сделайте вывод.

Обобщающая таблица
«Сравнение химических элементов живого вещества биосферы, клеток живых организмов и сфер Земли»

Основные элементы
Живое вещество
В клетках живых организмов
Гидросфера
Атмосфера
Литосфера

О2






Н2






С






N2






P






S






и др.






Особенности







Вывод:
часть

По таблице «Химический состав живого вещества, гидросферы, атмосферы, литосферы» выявите % содержание основных химических элементов (О2; Н2; С; N2; P; S) в гидросферы.
Полученные данные запишите в обобщающую сводную таблицу «Сравнение химических элементов живого вещества биосферы, клеток живых организмов и сфер Земли».
Сравните % содержание химических элементов О2; Н2; С; N2; P; S в живом веществе и гидросферы.
Сделайте вывод.


часть

По таблице «Химический состав живого вещества, гидросферы, атмосферы, литосферы» выявите % содержание основных химических элементов (О2; Н2; С; N2; P; S) атмосферы.
Полученные данные запишите в обобщающую сводную таблицу «Сравнение химических элементов живого вещества биосферы, клеток живых организмов и сфер Земли».
Сравните % содержание химических элементов О2; Н2; С; N2; P; S в живом веществе и атмосферы.
Сделайте вывод.


часть

По таблице «Химический состав живого вещества, гидросферы, атмосферы, литосферы» выявите % содержание основных химических элементов (О2; Н2; С; N2; P; S) литосферы (земной коры).
Полученные данные запишите в обобщающую сводную таблицу «Сравнение химических элементов живого вещества биосферы, клеток живых организмов и сфер Земли».
Сравните % содержание химических элементов О2; Н2; С; N2; P; S в живом веществе и литосферы (земной коры).
Сделайте вывод.

часть

По обобщающей сводной таблице сделайте анализ получившихся результатов.
С помощью линеек циркулей и карандашей оформите графическое представление различных химических элементов биосферы.

Часть

Сформулируйте общий вывод.





Таблица №1
Средний химический состав живого вещества
(по А.П. Виноградову)

Элемент
%
Элемент
%
Элемент
%
Элемент
%

O
70,0
Cl
2х10-2
Zn
5х10-4
As
3х10-5

C
18,0
Fe
1х10-2
Rb
5х10-4
Co
2х10-5

H
10,5
Al
5х10-3
Cu
2х10-4
Li
1х10-5

Ca
5х10-1
Ba
3х10-3
Br
1,5х10-4
Mo
1х10-5

K
3х10-1
Sr
2х10-3
V
1х10-4
Y
1х10-5

N
3х10-1
Mn
1х10-3
Cr
1х10-4
Cs
1х10-5

Si
2х10-1
B
1х10-3
Ge
1х10-4
Se
1х10-6

P
7х10-2
Tr
1х10-3
Ni
5х10-5
U
1х10-6

S
5х10-2
Ti
8х10-4
Pb
5х10-5
Hg
1х10-7

Mg
4х10-2
F
5х10-4
Sn
5х10-5
Ra
1х10-12

Na
2х10-2








Таблица №2
Химические элементы содержащихся в живых организмах

Элементы, входящие в состав клеток организмов (в%)

Макроэлементы
Микроэлементы
Ультрамикроэлементы

Кислород
Углерод
Азот
Водород
Магний
Калий
Натрий
Кальций
Железо
Сера
Фосфор
65075
15-18
1,5-3
8-10
0,02-0,03
0,15-0,4
0,02-0,03
0,04-2,00
0,01-0,15
0,15-0,2
0,20-1,00
Содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001
Бор
Кобальт
Медь
Молибден
Цинк
Ванадий
Йод
Бром
Содержание не превышает 0,000001


Уран
Радий
Золото
Ртуть
Берилий
Цезий
Селен


Таблица №3
Средний химический состав морской воды (по А.П. Виноградову)

Элемент
%
Элемент
%
Элемент
%
Элемент
%

O
85,70
F
1,3х10-4
Sn
3,0х10-7
As
1,3х10-8

H
10,80
Si
3,0х10-5
U
3,0х10-7
Ce
6,0х10-9

Cl
1,90
Rb
2,0х10-5
V
3,0х10-7
Se
4,0х10-9

Na
1,05
Li
1,5х10-5
Ni
2,0х10-7
Ga
3,0х10-9

Mg
1,3х10-1
N
1,0х10-5
Mn
2,0х10-7
Pb
3,0х10-9

S
8,8х10-2
P
7,0х10-5
Ti
1,0х10-7
Ho
3,0х10-9

Ca
4,0х10-2
I
5,0х10-6
Co
5,0х10-7
Th
1,0х10-9

R
3,8х10-3
Ba
2,0х10-6
Cs
3,7х10-7
Au
4,0х10-10

Br
6,5х10-3
Fe
1,0х10-6
Y
3,0х10-8
La
2,9х10-10

C
2,8х10-3
Al
1,0х10-6
Ag
3,0х10-8
Cl
1,3х10-10

Sr
0,8х10-3
No
1,0х10-6
Bi
2,0х10-8
Eu
1,0х10-10

B
4,6х10-4
Cu
3,0х10-7
Su
1,0х10-8
Ra
1,0х10-14

Таблица №4
Средний химический состав атмосферы (по А.П. Виноградову)

Элемент
% ( по объему)
% ( по весу)

N2
78,8
75,51

O2
20,95
23,15

Ar
0,93
1,28

CO2
0,03
0,046

Ne
1,8х10-5
1,25х10-3

He
5,2х10-5
0,72х10-4

CH4
2,2х10-5
1,2х10-4

Kr
1,0х10-5
2,9х10-4

N2O
1,0х10-5
1,5х10-4

H2
5,0х10-5
0,3х10-5

Xe
8,0х10-5
3,6х10-5

O3
1,0х10-6
3,6х10-5


Таблица №5
Химический состав земной коры
Компонент
Земная кора
(в среднем), %
Континентальная кора,%
Океаническая кора, %

Sio2
55,24

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
· 6
Химический состав основных сфер Земли (в весовых %) С.В. Комов

Элемент
Земля в целом
Земная кора
Атмосфера
Гидросфера
Живое вещество

H



10,8
8,0

Fe
39,8
6,4




Si
14,5
26,5


0,2

O
27,7
46,0
23,3
85,3
70,0

C
0,04
0,1
0,04
0,01
18,0

Ca
2,32
4,8


0,48

K
0,14
1,2


0,2

N

0,01
75,3

0,5


Закрепление знаний о понятии «Живое вещество биосферы»

Кто ввел в науку термин «биосфера»? Кто изложил основы учения о биосфере?
Какой вклад в учение о биосфере внесли труды В.И. Вернадского?
Сформулируйте определение биосферы, постарайтесь доказать, что биосфера представляет собой наиболее сложный уровень организации жизни.
В чем разница между экосистемами, биомами, биотой и биосферой?
Охарактеризуйте условия, определяющие границы существования жизни и связанные с ними границы биосферы.
Где сосредоточена основная масса живых организмов?
Из каких компонентов состоит биосфера?
Что такое живое вещество биосферы?
Перечислите функции живого вещества, раскройте их взаимосвязь
Назовите основные химические элементы в составе живого вещества?
Почему в течение миллиардов лет на Земле не иссякают запасы химических элементов, обеспечивающих жизнь огромного количества живых организмов?
Почему биосферу считают открытой системой?
Могут ли люди существовать вне связи с биосферой?
Сформулируйте закон Вернадского.

Дополнительная работа (вопросы для обсуждения):
Необходимость аксиологических ориентиров, несущих в себе общечеловеческие ценности, была утверждена уже в русле таких научных течений, как русский комизм (Н.Ф. Федоров, К. Э. Циолковский, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], П.А. Кропоткин, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), учение о ноосфере (В.И. Вернадский), экологизм (А. Швейцер). Почему данные направления вновь становятся актуальными.

Почему, важнейшие философско-нравственные проблемы современного общества сейчас начинают рассматриваться через учение о биосфере В.И. Вернадского и др.?

Подобрать сообщения, информацию из научно-популярной или периодической литературы, статьи, посвященные проблемам современного состояния и сохранения биосферы.















Вопросы теста: «Живое вещество биосферы»

1. Кислород атмосферы относится к веществу:
а) живому;б) косному; в) биогенному; г) биокосному.

2. Максимальная концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения:
а) атмосферы и литосферы (поверхность суши);
б) атмосферы и гидросферы (поверхность океана);
в) гидросферы и литосферы (дно океана);
г) атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежная зона).

3.Верхняя граница биосферы по атмосфере проходит на высоте 22-24 км. Проникновению жизни выше препятствует:
а) отсутствие кислорода;
б) низкая температура;
в) жесткая радиация;
г) озоновый экран.

4. Нижняя граница биосферы по литосфере проходит на глубине 3-4 км. Проникновению жизни ниже препятствует:
а) отсутствие кислорода;
б) высокое давление горных пород;
в) высокая температура земных недр;
г) чувство одиночества.

5.Биосфера представляет собой
а) комплекс видов, обитающих на определенной территории;
б) оболочку Земли, заселенную живыми организмами;
в) гидросферу, заселенную живыми организмами;
г) совокупность наземных биогеоценозов.

6. Живое вещество биосферы - это совокупность всех
а) растений и животных планеты;
б) многоклеточных организмов планеты;
в) микроорганизмов планеты;
г) живых организмов планеты.

7. В масштабе геологического времени большая роль в преобразовании вещества и энергии принадлежит:а) атмосфере; б) живому веществу;в) воде; г) почве.

8. Благодаря какой функции живого вещества образовались скопления известняка в земной коре?
а) окислительно-восстановительной;
б) репродуктивной;
в) концентрационной;
г) энергетической.

9. Клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений обладают способностью усваивать молекулярный азот атмосферы, выполняя в биосфере функцию
а) газовую; б) концентрационную; в) окислительно-восстановительную; г) биогеохимическу.

10. Отложения бокситов и железной руды являются результатом функции живого вещества
а) газовой; б) окислительно-восстановительной; в) миграционной; г) концентрационной.

Практическое занятие №2
Биогеохимические циклы важнейших химических элементов:
углерода, кислорода, азота, серы, фосфора, калия, кальция, кремнезема, алюминия, железа, марганца и тяжелых металлов.

Биохимический круговорот – основа поддержание жизни на Земле. Растения, животные и микроорганизмы связаны постоянным обменом веществ и энергией с окружающей их средой. Наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергией в биосфере постоянно и повсеместно протекают и противоположные процессы – разрушение сложных органических соединений и их превращение в простые минеральные: CO2, H2O и др.
Чтобы биосфера могла существовать и чтобы процессы в ней не прекращались, должен функционировать непрерывный круговорот биологически важных веществ. Процессы синтеза и распада живого вещества не происходят на нашей планете один без другого, они идут только при наличии единого биологического круговорота атомов.
Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза.
В энергетическом отношении представляет восходящую ветвь биологического круговорота веществ, запасается огромное количество солнечной энергии, преобразованной в потенциальную химическую энергию органических веществ.
Все остальные жизненные процессы, в которых происходит превращение созданных при фотосинтезе биологических соединений и использование запасенной энергии, являются в энергетическом отношении нисходящей ветвью биологического круговорота.
Завершаются они окислением минерализацией органических веществ, деградацией и превращением в тепло энергии, запасенной в химических связях этих веществ (часть этой энергии превращается в химическую энергию природных вод, газов и т.д.) [5].
Отличительная черта биологических круговоротов – их неполная замкнутость. Каждый новый цикл круговорота того или иного элемента или соединения не является точным повторением предыдущего. Часть химических элементов и соединений постоянно выпадает из общей циркуляции и скапливается вне организмов, создавая своего рода запасы биогенных веществ. Так были накоплены кислород и азот в атмосфере, горючие ископаемые и другие породы земной коры. В масштабах геологического времени даже небольшое неравновесие в создании и разрушении органических веществ приводит к направленному преобразованию поверхностных слоев Земли.
Запасы биогенных веществ, мало доступные для живых организмов и медленно вовлекающиеся поэтому в биологический круговорот, составляют так называемый резервный фонд того или иного химического элемента в биосфере (например, кальция в карбонатных породах). Другая часть, интенсивно циркулирующая между телами организмов и окружающей средой, называется подвижными, или обменными фондом. Соотношение между резервным и обменным фондами в биосфере у всех биогенных элементов различны [9,20].
Биологический круговорот обратим не полностью.
В ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков (образование осадочных пород в виде известняков, гумуса, торфа и других пород и минералов) увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д. Часть вещества в повторяющихся процессах превращения рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватываются временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежнему состоянию, имеет уже новые признаки.
Живое вещество является основой движущей силой круговоротов веществ на планете и только в результате его деятельности через систему этих круговоротов осуществляется поступательное развитие биосферы Земли [5,9,15].Часто различают два типа биогеохимических круговоротов: круговороты газов (C, O2, N2 и др.) и осадочные круговороты(S, P, Cа и др.).
В целом все вещество интенсивно подвергается превращениям, участвуя в большом и малом круговороте веществ.
Биологический круговорот (БИК) связан с жизнедеятельностью организмов: питание и выделение, трофические цепочки, жизненный цикл) – малый круговорот (Рис.1). БИК не является полностью замкнутым, т.к. происходит перемещение вещества между ландшафтами, полное выведение части вещества из малого оборота в пределах географической оболочки как результат процессов осадконакопления – но сохранение его в большом круговороте. Малый круговорот является составной частью геологического круговорота вещества – большого круговорота (рис.2).
Абиогенные циклы сложились на нашей планете значительно ранее биогенных. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов. Он включает накопление, удержание и перераспределение космической энергии Солнца на планете через нагревание водных масс, образование и конденсацию паров, выпадение атмосферных осадков и движение поверхностных и грунтовых вод по уклону от областей питания к областям испарения. Неравномерное нагревание воздуха и воды вызывает планетарные перемещения водных и воздушных масс, формирование градиентов плотности и давления, океанические течения и грандиозные процессы атмосферной циркуляции.
В добиогенных геохимических круговоротах определяющая роль принадлежала водной и воздушной миграции и аккумуляции [8].



Рис. 1. Общая схема биологического круговорота (БИК)

Рис. 2. Геологический круговорот вещества – большой круговорот.
Биогеохимические циклы тяжелых металлов.

Тяжелыми металлами обычно называют химические элементы, имеющие атомную массу более 50 единиц. Несмотря на сравнительно низкую распространенность этих элементов в природе, они оказывают большое влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Так как многие из них оказывают выраженное токсическое действие на живые организмы.
Исследованиями установлено, что наиболее токсичными являются следующие 9 элементов: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta.
Польские ученые провели ранжирование тяжелых металлов по потенциалу загрязнения на 4 группы. К группе элементов с очень высоким потенциалом загрязнения отнесены кадмий, ртуть, свинец, медь, таллий, олово, хром, сурьма, серебро, золото. К группе элементов с высоким потенциалом загрязнения относятся висмут, уран. Молибден, барий, марганец, титан, железо, селен, теллур. К группе элементов со средним потенциалом загрязнения относятся фтор, бериллий, ванадий, рубидий, никель, кобальт, мышьяк, германий, индий, цезий, вольфрам. Элементы со слабым потенциалом загрязнения – стронций, цирконий, лантан, ниобий.
Как видно, 4 металла из первой группы (с очень высоким потенциалом загрязнения) – свинец, ртуть, кадмий и хром. Приоритетные загрязнители биосферы – ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь. Увеличение их концентрации в воде, почве, воздухе и биоте является прямым показателем опасности для животных и человека[8].
Изучение круговорота веществ на Земле представляет практический интерес. Воздействие человека на природные процессы становится всё значительнее. Последствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, появляются многие тысячи химических соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные бассейны, и меняется круговорот воды. В руках человека концентрируется огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются колоссальные количества азотосодержащих веществ для удобрения полей и т.д. Меняется обычный ход геохимических процессов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле – необходимое условие рационального воздействия человека на среду его обитания и изменения природных условий в желаемом для него направлении.
Цель: Продемонстрировать особенности биогеохимических циклов биосферы на примере круговоротов химических элементов.
Учебный материал: схемы круговоротов химических элементов.

Ход работы.
Заранее ознакомитесь с теоретическим материалом по теме: «Круговорот веществ» [3,5,9,10,15,20].

Обратите внимание на особенности обмена веществ и энергией между компонентами биосферы (C; N2; O2;P; S и др.), механизм обмена, переход ведущих биогенных химических элементов из одних форм нахождения в другие, основные механизмы передачи и трансформации энергии в биосферных процессах.

На основе этих данных составьте конспект по плану:
а) особенности химического элемента;
б) значение химического элемента для биосферы;
в) чем представлен данный элемент в литосфере (земной коре), гидросфере, атмосфере, в живых организмах;
г) в какие химические процессы вступает, как изменяется.

В рабочих тетрадях составьте зарисовки схем соответствующим круговоротам: углерода, азота, серы, фосфора и др. в биосфере.

Сформулируйте вывод о важнейших особенностях передачи энергии между компонентами биосферы и круговорота того или иного химического элемента.

Подготовьте защиту работы в форме коллективного собеседования групп студентов с преподавателем (или в форме презентации).

Оценка работы даётся с учётом активности студентов в обсуждении вопроса и уровня высказываемых при этом суждений.

Подготовить дополнительную информацию о влиянии тяжелых металлов на биосферу.
Закрепление знаний «Круговорот веществ»
Когда на Земле возник биологический (биотический) круговорот веществ?
Почему круговорот веществ в природе является главной функцией биосферы?
Охарактеризуйте движущие силы, обеспечивающие перемещение, концентрацию и перераспределение огромных масс химических элементов во всей биосфере?
Круговорот веществ в биосфере осуществляется в виде восходящего и нисходящего потоков. Какие компоненты относятся к этим потокам?
Какова роль энергии в круговороте веществ? Почему невозможен круговорот энергии?
Какое участие в круговороте принимают живые организмы?
Каковы особенности биогеохимического цикла кислорода?
Охарактеризуйте круговорот углерода в любой экосистеме вашей местности.
Каковы особенности биогеохимического цикла водорода, азота, серы и фосфора?
Каковы особенности биогеохимического цикла калия и натрия, кальция и магния?
Каковы особенности биогеохимического цикла алюминия, железа, марганца, кремния?
Какие элементы называются тяжелыми металлами? Какое влияние они оказывают на живые организмы?
Каковы особенности биогеохимического цикла тяжелых металлов?Что такое «дефицитные» и «избыточные» химические элементы?

Дополнительная работа (вопросы для обсуждения):

Как тема «Круговорот веществ в биосфере» может повлиять на формирование нравственного отношения к природе студентов по специальности 022000 «Экология и природопользование».
В экосистемах биосферы в результате антропогенной деятельности человека происходит резкое накопление тяжелых металлов. Из-за высокой концентрации данных веществ происходят тяжелые заболевания людей и других живых организмов. Как вы считаете, какие меры лучше применить для улучшения здоровья людей?

Вопросы теста: «Круговорот веществ»

1. Круговорот веществ в биосфере происходит за счет энергии
а) земных недр;
б) расщепления органических веществ;
в) солнечной;
г) запасенной хемосинтезирующими микроорганизмами.

2.Процессы фотосинтеза, составляет основу
а) обмена веществ;
б) круговорота веществ;
в) пищевых связей;
г) территориальных связей.

3. Грибы, включаясь в круговорот веществ в биосфере
а) разлагают органические вещества;
б) уменьшают запасы неорганического углерода;
в) участвуют в первичном синтезе органических веществ;
г) участвуют в накоплении кислорода в атмосфере.

4. Бактерии, включаясь в круговорот веществ в биосфере
а) участвуют в формировании озонового экрана;
б) разлагают органические вещества до неорганических;
в) участвуют в образовании известняков;
г) участвуют в нейтрализации радиоактивных веществ в почве.

5. Животные, участвуя в круговороте веществ в биосфере
а) используют кислород атмосферы;
б) способствуют накоплению кислорода в атмосфере;
в) синтезируют на свету органические вещества из неорганических;
г) способствуют образованию торфа.

6. Энергия, необходимая для круговорота веществ, вовлекается из космоса
а) растениями в процессе фотосинтеза;
б) гнилостными бактериями;
в) клубеньковыми бактериями;
г) организмами гетеротрофами.

7. Первичный источник энергии для круговорота веществ в большинстве биогеоценозов -
а) солнечный свет;
б) деятельность продуцентов в экосистеме;
в) деятельность микроорганизмов;
г) мертвые органические остатки.

8. В процессе круговорота веществ содержащаяся в органических веществах энергия освобождается в результате: 1) гниения; 2) фотосинтеза; 3) хемосинтеза; 4) фотолиза.

9. Биологический круговорот веществ в биосфере, обеспечивающий ее устойчивость и целостность, обусловлен:
а) жизнедеятельностью всех организмов;
б) климатическими условиями;
в) сезонными изменениями в природе;
г)вулканической деятельностью



























Практическое занятие №3
Круговорот воды в биосфере

Цель: сформировать представление о круговороте воды, как важнейшем явлении в биосфере.
Учебный материал: видеофильм ВВС «Приключение капли воды»;«Внутренние секреты воды»; схемы круговоротов воды.

Ход работы.
Заранее ознакомитесь с теоретическим материалом по теме: «Круговорот воды в биосфере» [3,5,9,10,20].Обратите внимание на особенности химико-физических свойств воды и приспособлений живых организмов к ней.
На основании этих данных составьте конспект по плану:
а) химико-физические особенности воды;
б) значение воды для биосферы;
в) создайте в рабочих тетрадях зарисовки схемы малого и большого круговорота воды.
На основании данного материала и по сюжету видеофильма ВВС «Приключение капли воды» и«Внутренние секреты воды» напишите эссе «Фантастическое путишествие капли воды в биосфере».
Сформулируйте вывод о важных особенностях круговорота воды для биосферы.
Подготовить дополнительную информацию о современных проблемах, связанные с водой.
Закрепление знаний «Круговорот воды в биосфере»
В чем заключаются экологические функции Мирового океана?
Охарактеризуйте круговорот воды в любой экосистеме вашей местности.
Почему на земле исчезают запасы питьевой воды, а куда делся круговорот...?
Могут ли высохнуть моря?Может ли вода исчезнуть с Земли?

Дополнительная работа (вопросы для обсуждения):

Почему проблема чистой воды на Земле становится все более актуальной? Какое ваше мнение по решению данной проблемы.
Какие глобальные и региональные последствия возникли в Мировом океане в результате антропогенной деятельности?










Практическое занятие №4
Геохронологическое развитие биосферы

Возраст Земли, определяемый методами изотопной геологии, составляет около 5 млрд лет. Под влиянием тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде атомов, вещество Земли постепенно дифференцировалось на ядро, мантию и верхние слои.
На ранней Земле предполагают активный вулканизм. За счет лав, выплавляющихся из верхней мантии, постепенно сформировалась земная кора, а дегазация лав привела к возникновению первичной атмосферы и жидкой воды. В первый миллиард лет существования Земли океан был, примерно в 5 раз меньше по глубине и объему. Ландшафт представлял вулканические конусы на плоских пространствах. Состав древней атмосферы считают близким к составу газов, выделяющихся из современных вулканов. Они содержат водяной пар (70–80 %), СO2-(6-19%), Сl-(7%), метан, аммиак, соединения серы и др. Анализ газовых пузырьков в древнейших породах Земли показал полное отсутствие в них свободного кислорода, около 60 % СO2, около 35% H2S, SO2, NH3, НСl и HF, немного азота и инертных газов.
Ранняя атмосфера Земли была бескислородной. Ультрафиолетовое излучение Солнца свободно достигало поверхности воды и суши из-за отсутствия озонового экрана. Вулканические газы, растворяясь в воде, переходили в первичный океан, имевший в результате сильно кислую реакцию. Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила, эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты [20].
Геохронология. Для удобства изучения и описания вся история Земли разделена на отрезки времени, имеющие различную длительность и отличающиеся друг от друга климатом, интенсивностью геологических процессов, появлением одних и исчезновением других групп организмов.
В геологической летописи эти отрезки времени соответствуют разным слоям осадочных пород с включенными в них ископаемыми остатками. Самые крупные подразделения геологической летописи – эоны. Их два
криптозой (от греч. – kryptos – тайный и zoe – жизнь), т. е. эрой скрытой жизни (архей, протерозой), поскольку древние породы не содержат скелетных отпечатков ископаемых и фанерозой (от греч. – phaneros – явный). Фанерозой включает в себя три «эры явной жизни» – палеозой (palaios – древний), мезозой (mesos – средний) и кайнозой (kainos– новый). В свою очередь, эры разделены на периоды.
Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения последовательности этапов развития биосферы, так как позволяет датировать историю возникновения видов организмов.
Архей – время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой – время разнообразных бактерий и водорослей.
C началом палеозоя связывают первое появление беспозвоночных, имеющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных породах. В палеозое (ордовик) появились первые позвоночные (450 млн. лет назад) насекомые – 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии – 300 млн. лет назад (каменноугольный период), первые хвойные – 220 млн. лет назад (пермский период).
Мезозой связан с появлением первых динозавров, птиц, млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и голосеменных растений (160 млн. лет назад в юрском периоде).
В развитии биосферы важную роль сыграл рост концентрации O2. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0,1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался до появления современных хлорофилловых клеток, которые стали выделять большое количество O2и поглощать СO2. Их предшественники – прокариоты были первыми фотосинтезирующими организмами (сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложениях в Онтарио).
Таблица №7
Геохронологическая таблица (по Маркову, 1951 с изменениями)

Эон
(эонотема)
Эра
(группа)
Период, длительность, млн. лет
(система)
Начало периода, млн.лет назад
Эпоха
(отдел)


Фанерозой, 570
Кайнозой, 66
Антропоген
1,5
Голоцен
Плейстоцен



Неоген, 25
25
Плиоцен
Миоцен



Палеоген,41
66
Олигоцен
Эоцен
Палеоцен


Мезозой, 169
Мел, 66
132
Верхнемеловая
Нижнемеловая



Юра, 53
185
Верхнеюрская
Среднеюрская
Нижнеюрская



Триас,50
235
Верхнетриасовая
Среднетриасовая
Нижнетриасовая


Палеозой, 340
Пермь,45
280
Верхнепермская
Нижнепермская



Карбон, 65
345
Верхнекарбоновая
Среднекарбоновая
Нижнекарбоновая



Девон,55
400
Верхнедевонская
Среднедевонская
Нижнедевонская



Силур,35
435
Готланд



Ордовик,55
490
-



Кембрий,80
570
Верхнекембрийская
Среднекембрийская
Нижнекембрийская


Криптозой
Протерозой, 2500
Рифей (ок.1000)
1650
-



Венд, 110
2600
-


Архей,1000

3500
-


Примерно 1 млрд. лет назад количество O2 составляло 1% от современного уровня. В эту эпоху важной была роль фотосинтезирующей активности фитопланктона, появился озоновый слой, что способствовало развитию органической жизни в слое воды.
Воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши Пангея (палеозое). Примерно 200–250 млн. лет назад в начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться и формировать новые океаны. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия. В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад.
Условно выделяют последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.
Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды 3,5–4,5 млрд. лет.
Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа 2,5–3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).
Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности 1,5–3 млн. лет назад (появление человека).
Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа 10–15 тыс. лет назад (появление городских поселений).
Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально-природной системы (ноосферы). Это состояние биосферы, при котором осуществляются:а) рациональное использование природы;б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.

Цель: Сформировать представление о взаимомодействии и взаимовлиянии основных компонентов биосферы через основные ее этапы развития.

Оборудование:Общая стратиграфическая (геохронологическая)шкала;схема «Развитие жизни на планете»; видефильм: «Почему вымерли диназавры».

Ход работы

С помощью текста учебного материала [5,9,11,14,20] и видеофильма познакомиться с основными этапами развития биосферы.
На основании имеющихся данных определить основные события в развитии литосферы, атмосферы, биосферы.
Полученные сведения (информацию) внести в таблицу «Основные события в развитии биосферы».
Таблица №8
Основные события в развитии биосферы

Эра
Период
Основные события



Литосфера
Атмосфера
Развитие





растений
животных

Архей






Протерозой
Рифей






Венд





Палеозой
Пермь






Карбон






Девон






Силур






Ордовик






Кембрий





Мезозой
Мел






Юра






Триас





Кайнозой
Антропоген






Неоген






Палеоген






Сформулируйте общий вывод

Закрепление знаний «Геохронологическое развитие биосферы»

С какими процессами связано понятие относительный и абсолютный возраст Земли.
Перечислите методы, характеризующие относительный и абсолютный возраст земли.
В чем сущность геохронологической и стратиграфической шкалы.
Как формировалась кислородная атмосфера Земли?
Какие эволюционные изменения произошли в истории органического мира с водными обитателями?
Когда, в какой среде возникли многоклеточные организмы?
Чем можно объяснить возникновение большого разнообразия многоклеточных животных в конце протерозоя?
Прокомментируйте утверждение о том, что в протерозое жизнь стала геологическим фактором.
Почему погибли динозавры?
Почему выход на сушу споровых растений нельзя считать полным завоеванием суши?
Почему голосеменные не заняли господствующего положения во флоре кайнозоя?
Возможно ли возникновение жизни в настоящее время, в современных условиях?
Что изучает биогеохимия? Труды, какого ученого создали фундамент этой науки?

Темы для размышления
История учения о возникновении жизни на Земле.
Этапы возникновения жизни на Земле.
Жизнь, ее важнейшие свойства.
Первые живые существа на нашей планете.
Эпохи развития органического мира.
Удивительный палеозой.
Эра динозавров.
Почему вымерли динозавры?
Происхождение птиц, их разнообразие.
Происхождение млекопитающих.
Флора кайнозоя.
Многообразие органического мира.
Вирусы – жизнь на грани неживого.







Практическое занятие №5-6
Органогенный парагенезис минералов

Парагенезис минералов (от греч. para – возле, рядом и genesis – рождение, происхождение) – закономерное совместное нахождение в земной коре минералов генетически связанных между собой общими условиями образования. Изучение парагенезиса минералов имеет большое значение при поисках и оценке месторождений полезных ископаемых, имеющих сходную геохимическую историю (Большой Энциклопедический словарь, 2000).
Термин «парагенезис минералов» предложен в 1849 И. Брейтгауптом, хотя ещё в 1798 понятие парагенезис минералов под названием «смежности» минералов было введено В. М. Севергиным. Наиболее полное развитие понятие получило в 1920 х гг. в работах В. И. Вернадского.
Минералы, формирующие парагенетические ассоциации, возникают в результате развития какого-либо природного процесса минералообразования, который может происходить в различные по длительности отрезки времени и в различных физико-химических и термодинамических условиях. Во многих случаях в одной и той же парагенетической ассоциации минералов наблюдаются выделения отдельных порций какого-либо минерала, образование которых происходит раздельно во времени; такие разновозрастные выделения минералов называются их генерациями.
Важнейшими факторами, определяющими парагенезис минералов, являются: химизм среды, история её геологического развития, физико-химические и термодинамические условия минералообразования. Минералы, возникающие в сходных условиях, образуют парагенетические ряды, которые в общем закономерно повторяются в различных месторождениях. Примерами подобных рядов минералов могут служить минеральные ассоциации магматических горных пород, пегматитов, кимберлитов, гидротермальных рудных жил, зоны окисления месторождений руд цветных металлов
Парагенезис минералов тесно связан с парагенезисом элементов, участвующих в минералообразующих процессах. Тщательное исследование и анализ парагенезис минералов в горных породах позволяют восстановить развитие минералообразующего процесса, познать причины, обусловливающие постоянные закономерные сочетания одних и тех же минералов в месторождениях, имеющих сходную геохимическую историю. Изучение парагенезис минералов имеет большое практическое значение для поисков месторождений полезных ископаемых, так как при наличии в горной породе группы легко наблюдаемых минералов, характерных для данной ассоциации, можно предположить наличие других минералов-спутников, ценных для промышленного использования[4,6,13,16].

Цель: раскрыть понятие «парагенезис минералов» через примеры органогенных горных пород или минералов.
Оборудование: Физическая карта и контурная карта мира и России, виды осадочных горных пород и минералов органогенного происхождения, доклад об Уральском Березнековском калийном месторождении, видеофильм «Узники пермского моря».
Ход работы

Подготовьте доклад (презентацию) по одному из видов горных пород и минералов органогенного происхождения[2,4,6,13,16].
Сообщение-доклад об Уральском Березняковском калийном месторождении соли.
Просмотр видеофильма «Узники пермского моря».
Заполните таблицу, используя материал докладов, учебников или дополнительную литературу.
Таблица№9
Основные осадочные породы органогенного происхождения
Название


Физико-химические свойства
Генезис, происхождение
Виды растений, животных образующие данную породу
Месторождение страна
Использование в народном хозяйстве

Карбонатные (органогенные известняки)

Раковинный известняк (ракушечник)
Брахиоподовый известняк
Коралловый известняк
Фузулиновый
Нуммулитовый
Детритусовый (сильно-битый ракушечник)
Писчий мел
Макроскопический мел
Мерил (порода смешанного типа)






Каустоболиты

Горючий сланец
Сапропелевый уголь
Сапропель (перегнивший ил)
Кероген
Диатомиты (ил)
Трепел
Опоки
Торф
Гумусовые угли
Каменный уголь
Бурый уголь
Торф
Нефть
Природный газ
Озокерит («горный воск»)
Природный асфальт






Галлоидные соединения

Агат
Малахит
Бирюза
Орлец (родонит)






Сульфаты

Гипс
Ангидрит
Фосфаты
Апатит
Фосфорит









Органические соединения

Янтарь
Жемчуг







На контурной карте мира и России условными обозначениями покажите основные месторождения органогенных горных пород или минералов.
Сформулируйте общий вывод.

Закрепление знаний «Органогенный парагенезис минералов»

По геологической карте определите, в какой геологической эре и в каком ее периоде произошло образование осадочных горных пород: а) распространенных на большей части Западно-Сибирской равнины; б) преобладающих на востоке Восточно-Европейской равнины; в) распространенных в нашей местности.
Где в нашей стране распространены осадочные породы, образовавшиеся в меловой период мезозойской эры?
На поверхности каких территорий России находятся самые древние породы? Сколько лет назад образовались эти породы?
По тектонической карте определите, на территории каких гор России складкообразование произошло: а) в герцинскую эпоху; б) в байкальскую эпоху. Какие из этих гор более древние?
В какие эпохи происходило складкообразование на территории современных Алтайских гор?
Где в России находятся области мезозойской складчатости? Какие полезные ископаемые там можно обнаружить?

Дополнительная работа (вопросы для обсуждения):

В чем состоит экологическая функция литосферы?
Какие выводы можно сделать, изучая происхождение осадочных пород? Как это может повлиять на нравственное мировоззрение людей?
Каковы последствия антропогенного воздействия на геологическую среду?

Закрепление знаний «Органогенный парагенезис минералов»

1. Значение фотосинтеза состоит в:
а) обеспечении всего живого органическими веществами;
б) расщеплении биополимеров до мономеров;
в) окислении органических веществ до углекислого газа и воды;
г) обеспечении всего живого энергией;
д) обогащении атмосферы кислородом, необходимым для дыхания;
е) обогащении почвы солями азота.

2. Установите последовательность этапов фотосинтеза:
а) синтез глюкозы
б) синтез АТФ.
в) открытие каналов АТФ - синтетазы, встроенной в мембрану тилакоидов.
г) Рост разности потенциалов в гранах хлоропластов.
д) образование молекулярного кислорода.
е) возбуждение хлорофилла квантом света.

3. Установите последовательность событий в реакциях фотосинтеза:
а) поступление электронов высших уровней в транспортную цепь.
б) переход электронов в атомах хлорофилла на высшие уровни.
в) поглощение квантов света.
г) компенсация потерянных электронов при фотолизе воды.
д) синтез восстановителя НАДФ-Н
е) синтез углеводов.


Вопросы дискуссионной беседы по теме.
1.Почему фотосинтез возможен только у зелёных растений и цианобактерий?
2.В каких условиях протекает фотосинтез?
3.Где осуществляется фотосинтез?
4.Что происходит в световую фазу фотосинтеза?
5.С помощью, каких химических веществ осуществляются связь световой и темновой фаз?
6.Как можно усилить фотосинтез?

Это интересно
Надо сказать, что «питаться воздухом» совсем нелегко. Ведь в воздухе всего 0,03% углекислого газа. Чтобы вырастить один кубометр еловой древесины, растению надо «выкачать» углекислый газ из более чем миллиона кубометров воздуха.
80% кислорода выделяется морскими водорослями и только 20% наземными растениями. Поэтому океан иногда называют «лёгкими планеты».
В «Путешествиях Гулливера» Джонатана Свифта рассказывается о Великой Академии в Лага-до, учёные которой были поглощены бессмысленными или невыполнимыми проектами. Один из них, в частности, искал способ извлекать из огурцов заключённые в них солнечные лучи.
Дрова, каменный уголь, нефть, горючий газ, торф – всё это «консервы» из солнечных лучей. Причём каменный уголь и нефть донесли до нас тепло лучей Солнца, дошедших до Земли десятки миллионов лет назад!
Есть целые биоценозы, существующие на основе использования энергии (в глубинах океана, куда не проникает солнечный свет, вокруг «чёрных курильщиков»). Везде бентосная жизнь на больших глубинах бедна, так как обитающие здесь организмы могут использовать для питания только органическое вещество, оседающее из верхних слоёв океана. А здесь – настоящие оазисы!












Практическое занятие №7
Исследование процессов фотосинтеза
с основами планирования эксперимента

Миллиарды лет назад в атмосфере Земли не было свободного кислорода. Весь кислород, которым дышат почти все живые существа нашей планеты, выделен растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез сумел изменить весь облик нашей планеты.
Растения – настоящие фабрики органических веществ, работающие на солнечной энергии. Животные лишь преобразуют вещества, первоначально созданные растениями.
До атмосферы Земли доходит около 47% поступающей солнечной радиации. Основной (более 50%) объём энергии используется в процессах фотосинтеза. Энергетическая суть процесса – использование солнечной энергии для расщепления молекул СО2, извлечения из них свободного углерода и создания углеводородных соединений. В результате происходит биогенная аккумуляция солнечной энергии, затраченной на создание сложных и энергоёмких органических соединений.
Фотосинтез ( от греч. «фото» – свет, «синтез» – образование) – процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды при участии энергии солнечного света.

6СО2 + 12Н2О + hn (673 ккал) = С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Процесс фотосинтеза многоступенчатый. Он запускается, когда на молекулу хлорофилла попадает частица света (фотон). В процессе фотосинтеза учёные выделяют две фазы. Световая фаза идёт только на свету. Более длительная, темновая, в свете не нуждается.
Другой энергетический источник биологических процессов – энергия хемосинтеза.
В настоящее время доля энергии хемосинтеза в энергетическом балансе сообществ живых организмов в целом несущественна. Но, по-видимому, на ранних этапах существования биосферы именно этот источник был основным, может и единственным. Во всяком случае, наличие в биосфере первых фотосинтезирующих организмов – цианобионтов – достоверно фиксируется около 3,5 миллиарда лет назад. А признаки существования жизни на Земле отмечаются в самых древних горных породах, возраст которых – 3,8 миллиарда лет. Так что, возможно, жизнь на нашей планете первоначально зародилась на основе энергии хемосинтеза, и лишь потом живые организмы «научились» усваивать энергию солнечной радиации.
Таким образом, в природе органические вещества создают не только фотосинтетики, но и бактерии, бактерий не содержащие хлорофилла. Этот автотрофный процесс называют хемосинтезом, потому что осуществляется он благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака оксида железа (II) и др. Энергия, получаемая при окислении, запасается в организме в форме АТФ. Хемосинтез открыл (в 1889-1890гг.) знаменитый русский микробиолог С.Н. Виноградский.

Цели: исследование фотосинтетической функции растений; овладение навыками планирования эксперимента и интерпретации результатов эксперимента.

Оборудование: дневники наблюдений, линейки, лупы, микропрепараты листьев, совки, гербарные сетки, рамки для фотографий (гербарий), 20Х30 см., семена, растения для эксперимента с чехлами, чехлы для листьев из полупрозрачного и непрозрачного материалов, скрепки.


Ход работы

Анализ морфологических особенностей нормальных и этиолированных проростков (гороха).
Прорастить семена в различных условиях освещенности (на свету, в тени, в отсутствии освещения). Проростки выдерживаются до появления 2-3 междоузлий. В дневниках необходимо отмечать морфологические особенности проростков с заданной периодичностью. По завершении экспонирования проростков необходимо их выкопать и описать подробно морфологические признаки, сделать вывод о связи морфологии растения с освещенностью. Оформление гербарных образцов: нормальный и этиолированный проростки.
На одном растении на некоторые листья надеть чехлы из полупрозрачного материала, на некоторые – из непрозрачного, остальные оставить незакрытыми. Выдерживать в таком состоянии в условиях привычных для растения освещенности заданное время. После экспозиции необходимо описать окраску листьев и сделать вывод об изменении фотосинтетических пигментов в условиях принудительного затенения листовой пластинки.
Исследование морфологических особенностей световых и теневых листьев. Необходимо отобрать лисья гелиофитов и сциофитов либо теневые и световые листья одного растения (дуб, сирень) и описать их морфологические особенности. Можно добавить анализ микропрепаратов световых и теневых листьев. Необходимо сделать вывод о связи структуры листа с выполняемой функцией и требованиям растения к условиям освещенности.
Экстракция и изучение фотосинтетических пигментов.
Формулировка выводов.



Темы для размышления
Биосфера – продукт долгой истории развития жизни на Земле
В.И. Вернадский – крупнейший естествоиспытатель и мыслитель двадцатого века.
Функции живого вещества.
Круговорот веществ и превращение энергии в биосфере.
Человечество и биосфера
Формы и виды охраны природы.
Заповедники и заказники России.
Экологическое сознание – основа выживания людей в ХХI веке.
Международное сотрудничество в охране окружающей среды.
Пути решения экологических проблем.







Примерные вопросы для зачета по дисциплине: Учение о биосфере
Концепция устойчивого развития человечества.
Традиции русского космизма. Философско-религиозный космизм в работах Н.Ф. Федорова.
Традиции русского космизма. Естественнонаучный космизм в работах К.Э. Циолковского и А.Л. Чижевского.
Понятие жизни в работах В.И. Вернадского.
Биосфера и Ноосфера. Различные трактовки терминов.
Классификация веществ, входящих в биосферу по В.И. Вернадскому.
Пищевые цепи и сети. Превращение энергии. Примеры.
Биосфера как область превращения космической энергии.
Органогенный парагенезис минералов.
Продуценты, консументы и редуценты. Примеры.
Границы биосферы.
Биогеохимические функции живого вещества.
Геологический и биологический круговороты веществ.
Круговорот воды в биосфере.
Круговорот азота в биосфере.
Круговорот серы в биосфере.
Круговорот углерода в биосфере.
Мониторинг окружающей среды. Задачи, виды.
Организмы-индикаторы для мониторинга окружающей среды.
Живое вещество биосферы. Основные характеристики и виды.
Эволюция биосферы по В.И. Вернадскому.
История развития человечества как геологической силы.
Концепция коэволюции Н.Н. Моисеева.
Гипотеза Геи Д. Лавлока и Л.Маргулис.
























Список литературы
Акимова Т.А. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда: учебник для студентов вуза/ Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА,2007.
Бондаренко О. Б. Палеонтология. В 2-х т. Т 1,2: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / О. Б. Бондаренко, И. А. Михайлова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. (Сер.Бакалавриат).
Бродский А.К. Общая экология: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/ А.К. Бродский. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2010.
Вернадский В. И., История минералов земной коры, Избр. соч., т. 4, кн. 1, М., 1959.
Верзилин Н.Н. и др. Биосфера, ее настоящее, прошлое и будущее. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1976.
Воронин Ю. А., Еганов Э. А., Фации и формации. Парагенезис, Новосиб., 1972.
Геоэкология: Учеб.пособие/ В.В. Братков, Н.И. Овдиенко. – М.: Высш.шк., 2006.
Геохимия биосферы. Электронный учебно-методический комплекс. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет». Институт Агроэкологического менеджмента Кафедра Геоэкологии Геохимия биосферы, г. Красноярск 2009.
Ерёмченко О.З. Учение о биосфере: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений/ О.З. Ерёмченко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.
Короновский Н.В. Геоэкология: учеб.пособие для студ. учреждений высш. проф. образования / Н.В. Короновский, Г.В. Брянцева, Н.А. Ясаманов. – М.: Издательский цетр «Академия», 2011(Сер.Бакалавриат).
Коропкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001.
Липунов И.Н., Василенко Л.В., Первова И.Г., Васильева Л.Д. Охрана окружающей природной среды: Учебное пособие для технических вузов / Липунов И.Н., Василенко Л.В., Первова И.Г.; Под ред. И.Н. Липунова. – Урал.гос. лесотехн. акад. Екатеринбург, 2001.С 538.
Михайлов Ю.В., Семячков А.И., Парфёнова Л.П. Гидрогеологические исследования месторождений полезных ископаемых Урала. / – Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2010. -205с.
Основы экологии: учебное пособие/ А.Ф. Фадеичев; Урал.гос. горный ун-т. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009.
Полищук О.Н. Основы экологии и природопользования: учебное пособие/ О.Н. полищук. – СПб.: Проспект Науки, 2011.
Савцова Т.М. Общее землеведение: учебник для студ. учреждений высш. пед. проф. образования/ Т.М. Савцова. – 5-еизд., испр. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2011.
Семячков А.И., Парфёнова Л.П., Почечун В.А., Копёнкина О.А. Теория и практика ведения локального экологического мониторинга окружающей среды меднорудных горно-металлургических комплексов. / Под ред. А.И. Семячкова. – Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2008.
Семячков А. И., Фоминых А.А., Почечун В.А. Мониторинг и защита окружающей среды железорудных горно-металлургических комплексов / Под ред. О.А. Романовой. – Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2008.-243с.
Семячков А. И. Методология оценки техногенной трансформации окружающей среды под воздействием горно-металлургических комплексов. Научное издание / Под редакцией академика РАН А.И, Татаркина.– Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2007. – 348с.
Чернова Н.М. Общая экология: учебник для студентов педагогических вызов/ Н.М. Чернова, А.М. Былова. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2007.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
http://www.unesco.org
http://www.priroda.ru
http://www.biobat.ru
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].








Рисунок 2HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • doc praktikumbiosvera
    Михеева Е.В. Бадьина Т.А.
    Размер файла: 482 kB Загрузок: 9