Тема: Біосфера як цілісна система.

Мета: дати загальну характеристику біосфери,  розглянути особливості кругообігу ре­човин і потоку енергії в екосистемах та вплив людської діяльності на ці про­цеси,  розвивати навички аналізу й синтезу інформації; виховувати розу­міння єдності всього живого на нашій планеті.

Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації зі схемами кругообігу різних елементів у екосисте­мах, таблиці з даними щодо продуктив­ності різних екосистем, фотографії або рисунки різних екосистем.

Базові поняття й терміни: біосфера, жива речовина біосфери, кругообіг Карбону, кругообіг Оксигену, осадові породи.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Компетентності, які формуються в учнів: уміння вчитися, спілкуватися державною мовою, соціальна, комунікативна, загальнокультурна, здоров’язбережувальна, науково-природнича, екологічна грамотність.

Хід уроку

І. Організаційний етап.

Привітання. Перевірка готовності учнів до уроку. Налаштування на позитивний настрій.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Фронтальна бесіда:

1. Які основні властивості екосистем?
2. В чому полягає саморегуляція екосистем?
3. Що таке ланцюг живлення?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності учнів.

Повідомлення теми та мети уроку.

ІV. Вивчення нового матеріалу.

1.Біосфера, її межі (Розповідь вчителя з елементами бесіди)

Біосфера – екологічна система, межі якої зумовлені життєдіяльністю організмів.

Межі біосфери:

• Атмосфера – газувата оболонка (до озонового шару);
• Гідросфера – водна оболонка;
• Літосфера – верхня тверда оболонка Землі.

2.Жива речовина біосфери, її властивості й функції

Жива речовина виконує такі функції:

• Газова (фотосинтез, дихання);
• Концентраційна (накопичення хім. елементів);
• Окисно-відновна (окиснення речовин з утворенням солей та оксидів);
• Біохімічна (під час обміну речовин).

Поняття «жива речовина», весь комплекс уявлень про його хімічну діяльність запровадив у науку В. І. Вернадський: «Під іменем жива речовина, — писав він у 1919 р., — я буду розуміти всю сукупність організмів, рослинності і тварин, у тому числі й людину. З геохімічної точки зору ця сукупність організмів має значення лише тією масою речовин, яка її складає, її хімічним складом і зв’язаною з нею енергією...». На його думку, що більша енергія активованої матерії, то більша маса живої речовини. А. В. Лаппо, аналізуючи науковий доробок В. І. Вернадського, акцентує на основних специфічних особливостях живої речовини.

1. Жива речовина біосфери характеризується величезною вільною енергією, яку можна було б порівняти з вогняним потоком лави (але енергія лави недовговічна).

2. У живій речовині, завдяки наявності ферментів, хімічні реакції відбуваються у тисячі, а деколи й мільйони разів швидше, ніж у неживій. Для життєвих процесів характерне те, що одержані організмом речовина й енергія переробляються та віддаються ним у значно більших кількостях.

3. Індивідуальні хімічні елементи (білки, ферменти, а деколи й окремі мінеральні сполуки тощо) синтезуються лише в живих організмах.

4. Жива речовина намагається заповнити собою весь можливий простір. В. І. Вернадський називає дві специфічні форми руху живої речовини: а) пасивну, яка створюється розмноженням і притаманна як тваринним, так і рослинним організмам; б) активну, яка здійснюється за рахунок спрямованого переміщення організмів (характерна для тварин і в меншій мірі — для рослин).

5. Жива речовина проявляє значно більшу морфологічну й хімічну різноманітність, ніж нежива. У природі відомо понад 2 000 000 органічних сполук, які входять до складу живої речовини, в той час як кількість мінералів неживої речовини становить близько 2 000, тобто на три порядки нижче.

6. Жива речовина представлена дисперсними тілами — індивідуальними організмами, кожний з яких має свій власний генезис, свій генетичний склад. Розміри індивідуальних організмів коливаються від 20 нм у найдрібніших до 100 м (діапазон понад 10⁹).

7. Дисперсна жива речовина ніколи не трапляється на Землі в морфологічно чистій формі, наприклад, у вигляді популяційного виду. Вона може існувати лише у вигляді біоценозу.

8. Принцип Ф. Реді (флорентійський лікар і натураліст, 1626-1697) — «все живе з живого» — є відмінною особливістю живої речовини, яка існує на Землі у формі безперервного чергування поколінь і характеризується генетичним зв’язком з живою речовиною всіх минулих геологічних епох. 9. Жива речовина в особі конкретних організмів, на відміну від неживої, здійснює упродовж свого історичного життя грандіозну роботу. По суті, лише біогенні речовини метабіосфери — це інтеграл маси живої речовини Землі за геологічний час, тоді як маса неживої речовини земного походження є постійною величиною у геологічній історії: 1 г архейського граніту і сьогодні залишається одним грамом тієї самої речовини, а та сама маса живої речовини (1 г) протягом мільярдів років існувала за рахунок зміни поколінь і весь цей час виконувала геологічну роботу.

3.Які особливості біогеохімічних циклів у біосфері?

Біосфера є глобальною екосистемою, єдність якої забезпечується переміщенням хімічних елементів і речовин у великому (геологічному) та малому (біологічному) кругообігу. Кругообіг речовин у біосфері має циклічний характер і для біогенних елементів здійснюється у вигляді біогеохімічних циклів.

БІОГЕОХІМІЧНИЙ ЦИКЛ (біогеоцикли) - це перетворення і переміщення хімічного елемента, що відбуваються за сумісної дії біотичних та абіотичних компонентів біосфери. Поняття «біогеохімічних циклів» увів у науку В. І. Вернадський у 1910 р. Рушійними силами цих циклів є потік енергії Сонця і частково енергія геологічних процесів, що відбуваються на планеті.

У біогеоциклах розрізняють дві частини: 1) резервний фонд - з більшою кількістю й масою речовини або елемента та повільнішим обміном; 2) обмінний фонд - з меншою часткою елемента (речовини), що швидко переміщуються по етапах циклу. Виокремлюють два основні типи біогеоциклів: 1) цикли елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері (цикли Карбону, Нітрогену, Оксигену); 2) цикли елементів з резервним фондом у літосфері (осадові цикли Фосфору, Сульфуру, Кальцію, Калію, Феруму).

Біогеохімічні цикли є взаємодіючою сукупністю багатьох біотичних і абіотичних перетворень, що відбуваються в атмосфері, гідросфері й літосфері за участі живої речовини (складність). У біогеоциклах живі організми здійснюють газову, окисно-відновну, концентраційну та біохімічну функції. Біотичні перетворення стали обов’язковою умовою існування біогеохімічних циклів зокрема й біосфери загалом. Серед найважливіших циклів виокремлюють біогеохімічні цикли Карбону, Нітрогену, Гідрогену, Оксигену, Фосфору, Кальцію, Калію, Феруму та ін.

Упродовж тривалого еволюційного розвитку в складі біосфери біогеоцикли стали збалансованими й набули замкненості перетворень у межах обмінного фонду. Проте на сьогодні спостерігаються порушення біогеохімічних циклів у біосфері через діяльність людини. Основними причинами багатьох змін біо- геоциклів є:

вплив на резервний фонд речовин, що містять той чи інший біогенний елемент, пов'язаний з видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу, використанням добрив тощо; вплив на видове й екосистемне біорізноманіття, компоненти якого беруть участь у перетвореннях (наприклад, вирубування лісів веде до зміни ступеня фіксації Карбону); поява й включення в цикли штучних і чужорідних для біосфери речовин (наприклад, пластмас), які надалі не можуть використовуватися продуцентами, розкладатися редуцентами. Накопичення таких відходів може стати причиною виникнення біогеохімічних циклів нового типу або ускладнення вже існуючих.

Отже, найзагальнішими особливостями біогеохімічних циклів є циклічність, складність, збалансованість, замкненість.

Чому біогеоцикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими?

Біогеохімічними циклами елементів з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є цикли Карбону, Нітрогену, Оксигену. Ці біогеоцикли є досконалішими тому, що здатні до швидкої саморегуляції. Основним депо для цих циклів є газуваті речовини атмосфери. Для ілюстрації розглянемо цикли Карбону й Нітрогену.

Біогеохімічний цикл Карбону. Карбон - це основа органічних речовин усіх живих організмів. Особливостями циклу Карбону є: 1) основне депо - газуватий СО₂, а основна доступна форма для організмів - органічні речовини й карбонати; 2) наявність резервного фонду у вигляді СО₂, СН₄, СО в атмосфері та осадових (вапняки, крейда) і горючих (торф, вугілля, нафта) корисних копалин у літосфері; 3) основні біотичні перетворення пов'язані з фотосинтезом, диханням, біоакумуляцією та мінералізацією; 4) абіотичні перетворення відбуваються завдяки процесам розчинення, окиснення, горіння

Біогеохімічний цикл Нітрогену. Нітроген - елемент, що входить до складу важливих нітрогеновмісних органічних речовин (амінокислот, білків, нуклеїнових кислот). Основне депо й резервний фонд Нітрогену - це атмосферний азот, а основна доступна форма - нітрати. Біотичні перетворення здійснюються переважно мікроорганізмами в ґрунті. Нітроген стає доступним для живого в результаті азотофіксації, що здійснюють мутуалістичні бульбочкові бактерії й актиноміцети, вільноживучі азотофіксуючі бактерії, пурпурні сіркобактерії й ціанобактерії. Розклад органічних сполук з утворенням амоніаку здійснюється амоніфікувальними бактеріями. Виділений внаслідок амоніфікації амоніак розчиняється у ґрунтових водах і перетворюється на амоній NH^. Амоніак і сполуки амоніаку здатні до біокаталітичного окиснення з утворенням нітратної і нітритної кислот, що їх використовують нітрифікувальні бактерії в процесі нітрифікації. Завдяки їхній діяльності в ґрунті утворюються нітрити і нітрати. Замикають цикл Нітрогену мікробіологічні процеси денітрифікації, які перетворюють нітрити й нітрати на молекулярний азот, що надходить в атмосферу. Абіотичні перетворення (абіотична фіксація за участі грозових розрядів, утворення й розчинення покладів селітри, окиснення) відбуваються в повітрі та ґрунті

 Біогеохімічний цикл Карбону

 Біогеохімічний цикл Нітрогену

Отже, біогеохімічні цикли з резервним фондом в атмосфері або гідросфері є досконалішими завдяки великому обмінному фонду газуватих речовин в атмосфері, що й визначає їхній високий ступінь саморегуляції.

4.Яка роль живих організмів в утворенні осадочних порід? Осадочні породи формуються на дні водойм внаслідок нашарувань різних нерозчинних сполук переважно біогенного походження. У створенні осадочних порід беруть участь ті живі істоти, які накопичують протягом усього життя в своїх скелетах, черепашках, панцирах тощо сполуки кальцію, кремнію, фосфору та інші. Із залишків цих організмів (діатомових водоростей, форамініфер, радіолярій, молюсків, коралових поліпів та ін.) виникають різноманітні осадочні породи (вапняк, крейда, кремнезем, діатоміти, радіолярити) значної товщини.

Поклади крейди і вапняків утворювалися протягом усього періоду історичного розвитку біосфери. Внаслідок накопичення на дні морів черепашок і скелетів відмерлих організмів утворюється вапняковий мул. У його товщі відбуваються хімічні процеси, які в умовах підвищеного тиску зумовлюють утворення крейди чи вапняку. Геологічні процеси, що відбувалися на нашій планеті, приводили до того, що ті або інші частини материків опускалися, а певні ділянки морського дна піднімалися. Внаслідок цього відбувався перерозподіл площі суходолу й гідросфери, а також виникали гірські хребти з вапняку (Піренеї, Альпи, Гімалаї, Кавказькі гори тощо).

Кам’яне (з решток викопних вищих спорових рослин), буре (викопних голонасінних) вугілля і торф (з решток мохоподібних) утворилися за особливих умов відповідного періоду. Поклади залізної руди формувалися протягом усього існування біосфери внаслідок життєдіяльності хемотрофних залізобактерій. Є гіпотези щодо біогенного походження нафти, природного газу та інших корисних копалин.

Живі організми беруть участь і в процесах руйнування гірських порід. Наприклад, лишайники, оселяючись на скелях, виділяють органічні кислоти, які руйнують мінерали. Лишайники та інші організми можуть руйнувати гірські породи і механічним впливом. Наприклад, гіфи грибів, які входять до складу лишайника, корені та ризоїди рослин проникають у тріщини скель, розширюючи їх. Це, у свою чергу, сприяє проникненню в ці тріщини води, що призводить до розчинення гірських порід, які стають крихкими і руйнуються.

5. Роль організмів у перетворенні оболонок Землі (Самостійна робота з підручником, с.217)

V. Узагальнення та систематизація знань.

Фронтальна бесіда:

1. Що таке біосфера?
2. Які основні характеристики живої речовини Землі?
3. Які біогеохімічні функції живої речовини?
4. Що таке біогеохімічні цикли?
5. Яка роль організмів у перетворенні оболонок Землі?

VІ. Підведення підсумків уроку. Рефлексія.

1. Метод  мікрофон

Учні виражають свої думки щодо проведеного уроку. 

Мотивація та оцінювання учнів.

VІІ. Надання та пояснення домашнього завдання.

Вивчити параграф 52.

Підготувати повідомлення «Чому біосфера не становить окремої оболонки землі?»