Урок 47. Нарушения глобальных круговоротов в биосфере
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 47. «Нарушения глобальных круговоротов в биосфере»

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какой смысл вкладывают в понятия «организованность биосферы», «круговорот веществ в биосфере», «антропогенное воздействие»?
Каковы общие особенности круговоротов веществ?
Почему потоки вещества и энергии можно считать молекулярной основой устойчивости системы «организм – среда»?
Каковы причинно-следственные связи между нарушением глобальных круговоротов и антропогенным воздействием на биосферу?

Глоссарий по теме:

Биосфера – планетарная экосистема, которая состоит из иерархически подчинённых экосистем различных масштабов.

Биосфера (греч. bios — жизнь, sphaira — шар, сфе­ра) – это внешняя оболочка планеты Земля, включающая часть атмосферы до высоты 25-30км (до озонового слоя), почти вся гидросфера и часть литосферы до глубины 3 км. Особенностью этих частей биосферы является то, что они населены живыми организмами, которые в совокупности составляют живое вещество планеты.

Биогеохимический цикл – обмен энергией и веществом, который осуществляется между различными структурными частями биосферы и определяется жизнедеятельностью живых организмов.

Биосферная функция человечества – поддержание и целенаправленное созидательное развитие биосферы. Осознание своей биосферной функции человечеством напрямую связано с ростом научного познания, становлением ноосферы.

Изменение биосферы человеком – это изъятие человечеством вещества биосферы и изменение ее физических и химических характеристик в процессе эволюции человека.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 198-210.
Одум Ю. Экология / Одум Ю., М. Наука, 1986, Т.1. с. 45-78.

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);

Образовательный портал «Планета Земля» URL: http://www.polnaja-jenciklopedija.ru/planeta-zemlya/krugovorot-veschestv-v-biosfere.html

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Современный уровень развития промышленности существенным образом усложняет взаимоотношения между человеком и природой. Современные масштабы производственной деятельности человека, объемы которой удваиваются каждые 15 лет, влекут за собой изменение качества природной среды и ее ресурсов. Большинство результатов производственной деятельности человека имеют отрицательное воздействие: это загрязнение водного и воздушного бассейнов, почвы, шумовое и тепловое загрязнение, рост числа источников ионизирующего излучения. Многие вещества, вырабатываемые человеком, вовлекаются в природные круговороты веществ – биогеохимические круговороты, нарушая их естественный баланс, что приводит к снижению устойчивости биосферы.

Все вещества в биосфере находятся в состоянии круговорота. Энергия Солнца вызывает два круговорота веществ: большой, который охватывает всю биосферу, и называемый биосферным, и малый, протекающий внутри экосистемы и называемы биологическим.

Биосферный круговорот веществ базируется на геологическом, который вызывает разрушение, аккумуляцию и миграцию химических веществ. Ведущая роль в процессе этой миграции принадлежит солнечной энергии, от которой напрямую зависят скорость и степень развития процессов.

Большой круговорот веществ характеризуется двумя ключевыми особенностями: осуществляется на протяжении истории развития биосферы, т. е. начиная с появления первых живых организмов – сине-зеленых водорослей примерно 3,5 млрд. лет назад, и представляет собой общепланетарный процесс, который играет ключеввую роль в существовании биосферы.

Неорганическое вещество в геологическом круговороте является аккумулятивным фондом для реализации биологической части биосферного круговорота. Этот аккумулятивный фонд сосредоточен в атмосфере в виде газов, в воде — в виде растворенных химических элементов, в литосфере — в виде захороненных минеральных веществ, часть из которых проникает в почву.

Малый (биологический) круговорот веществ, хотя и происходит внутри отдельных экосистем, не является замкнутым, а развивается на базе геологического, охватывающего биосферу.

Малый биотический круговорот веществ является частью большого круговорота и совершается лишь в пределах биосферы. Скорость протекания процессов здесь значительно выше. Сущность этого круговорота состоит в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. При этом часть вещества исключается из биотического круговорота, и с помощью геохимических процессов закрепляется в осадочных отложениях или переносится в океан.

Специфика биологического круговорота состоит в течение трех взаимосвязанных и противоположных процессов: создание, разрушение и перераспределение. Первый этап создания органического вещества основан на жизнедеятельности продуцентов и процессе фотосинтеза, в ходе которого растения синтезируют органические вещества из углекислого газа, простых минеральных веществ и воды с использованием энергии Солнца. Растения, в процессе фотосинтеза, извлекают из почвы серу, кальций, фосфор, калий, марганец, магний, кремний, медь, алюминий, цинк и иные элементы.

В дальнейшем, консументы первого порядка – растительноядные животные, поглощают созданное продуцентами органическое вещество и усваивают через поедание растений биогенные элементы. Консументы второго порядка – хищные животные, питаются травоядными животными и употребляют в пищу более сложные органические вещества, включая белки, жиры, углеводы, аминокислоты и т.д.

В процессе разрушения редуцентами – организмами деструкторами органического вещества (например, грибами, бактериями) в почву и воду вновь поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения продуцентам и начинается новый цикл круговорота.

Малый круговорот имеет меньшую и неодинаковую для разных экосистем продолжительность. Также различают, например, сезонные, многолетние, годовые и вековые малые круговороты.

Обмен энергией и веществом, который осуществляется между различными структурными частями биосферы и определяется жизнедеятельностью живых организмов, называют биогеохимическим циклом. В совокупности биогеохимические циклы взаимосвязаны между собой и составляют динамическую основу существования жизни, при этом, каждый из них играет уникальную роль в эволюции биосферы.

В то же время, современная деятельность человека характеризуется изъятием природных ресурсов и привнесением (высвобождением) дополнительных химических веществ и их вовлечением в большой и малый круговороты.

Нарушение человеком природной среды в глобальном масштабе началось сравнительно недавно – в XX веке, когда произошло развитие промышленности, рост населения, и следовательно, рост потребления пищи. В дальнейшем активное извлечение ресурсов – в первую очередь углеводородов, позволило интенсифицировать производство, увеличить объем углекислого газа, выделяемого в атмосферу.

К настоящему времени деятельность человека – антропогенная деятельность привела к тому, что на Земле произошли нарушения круговоротов веществ. В первую очередь, это нарушение круговорота воды и опустынивание.

Одним из основных процессов, на которых базируется биогеохимический круговорот веществ, является фотосинтез – именно в рамках этого процесса производится основная масса первичной продукции. На процесс фотосинтеза необходимо достаточно большое количество воды (для получения 1 грамма органического вещества расходуется от 100 до 700 и более граммов воды). Биота Земли, производя первичную продукцию, связывает около 540 гигатонн воды, а с учетом транспирации этот объем следует увеличить на 2 порядка, что составит 54 тыс. км3. Такой объем воды более чем в 5 раз превышает ее объем в атмосфере и сток всех рек мира.

Таким образом, биота контролирует круговорот воды в природе на 70 %. Поэтому, разрушая естественные экосистемы, человек опосредованно существенное воздействие на круговорот воды. Это привело к трансформации гидрологического режима водосборов рек. Влажность почвы и воздуха под влиянием деятельности человека, снижается более интенсивно, чем на территориях, которые заняты естественными экосистемами. Это привело к уменьшению продуктивности экосистем. Особенно сильно это иллюстрируют сельскохозяйственные, искусственные экосистемы, которые требуют постоянного внесения удобрений для поддержания продуктивности.

Человеком в больших количествах на сельскохозяйственные территории вносятся химические вещества - главным образом биогенные элементы, что также нарушает круговорот химических элементов

На круговорот воды оказывает влияние и зарегулированные человеком русла рек, строительство гидротехнических сооружений, возведение плотин и водохранилищ. Происходит обмеление рек, причем не только мелкомасштабных. Например, именно зарегулированный сток – большая система водохранилищ, плотин и спрямления участков – основная проблема реки Волга, качество воды которой сегодня является одной из основных экологических проблем, обсуждаемых в России.

Нарушение круговорота биогенных элементов, наряду с нарушением круговорота воды также является существенной проблемой. При освоении территорий человечество уничтожает биомассу растений и животных, что приводит к снижению биологического разнообразия. Результатом гибели и последующей минерализации живых организмов является избыточное поступление в атмосферу аммиака, углекислого газа, сероводорода, а в поверхностные и подземные воды поступает дополнительный азот, фосфор и иные биогенные соединения.

Человек, осваивая в ходе своей хозяйственной деятельности новые территории, лишает жизненного пространства иные виды, что привело к нарушению межвидового взаимодействия, уничтожению экологических ниш видов.

Существенным негативным изменением, которое человек внес в биогеохимический круговорот, стало нарушение потоков энергии. Человек до конца XIX века потреблял первичную продукцию биосферы в количествах, в которых ее потребляли и иные крупные животные. Постепенно человек начал перераспределять первичную продукцию в свою пользу, а начав использовать энергию ископаемого топлива, высвободил огромные запасы энергии. В последние 100 лет человеку оказалось необходимо фотосинтетической продукции в разы больше, чем их естественным путем потребляли крупные животные за сотни миллионов лет. Одной из причин неустойчивости окружающей среды и возникновения многих глобальных проблем считается именно использование человеком дополнительной энергии ископаемого топлива.

Выводы:

Нарушение человеком природной среды в глобальном масштабе началось сравнительно недавно – в XX веке, когда произошло развитие промышленности, рост населения, и следовательно, рост потребления пищи.

К настоящему времени деятельность человека – антропогенная деятельность привела к тому, что на Земле произошли нарушения круговоротов веществ. В первую очередь, это нарушение круговорота воды и опустынивание.

В частности, с ростом численности населения и промышленного производства возникло разрушение естественного растительного покрова, его перевод в агроэкосистемы, инфраструктуру, земли населенных пунктов. Особенно сильно этот процесс повлиял на сокращение лесов и степей, которые ранее производили первичную продукцию биосферы. Человек, уничтожая биоту, опосредовано существенное воздействие на круговорот воды. Это привело к трансформации гидрологического режима водосборов рек.

Нарушение круговорота биогенных элементов, наряду с нарушением круговорота воды также является существенной проблемой. В результате массового внесения и высвобождения биогенных веществ в ходе деятельности человека, биота Земли не сумела полностью компенсировать суммарный выброс веществ. Следовательно, деформация естественных экосистем усиливает разбалансированность круговорота химических веществ биосферы и изменяет потоки веществ и энергии.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Обмен энергией и веществом, который осуществляется между различными структурными частями биосферы и определяется жизнедеятельностью живых организмов называют:

1) биосферная функция;

2) биогеохимический цикл;

3) круговорот воды.

Правильный ответ: 2) биогеохимический цикл.

2. Внешняя оболочка планеты Земля, включающая часть атмосферы до высоты 25-30км (до озонового слоя), почти вся гидросфера и часть литосферы до глубины 3 км. Особенностью этих частей биосферы является то, что они населены живыми организмами, которые в совокупности составляют живое вещество планеты это:

1. ноосфера;

2. экологическая ниша;

3. биосфера.

Правильный ответ:

3. биосфера.