Конспект урока на тему "Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме" 11 класс

Урок № 91-92                                                  22.02.24                                                             11 класс

Тема: Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме. Основные показатели экосистемы

Цель: расширение представлений обучающихся об учении о биосфере и его значении в экологии.

Ход урока

I Организация начала урока

II Проверка домашнего задания:

1)Проверка учителем наличия конспектов, составленных обучающимися дома самостоятельно.

Далее проверка домашнего задания происходит по рядам:

2) Устный опрос отдельных обучающихся по терминам словаря, индивидуально и в парах:

• Проверка наличия словарей и записанных в нём слов.
• Дать определения терминов: биологический круговорот.

Биологический круговорот веществ – переход питательных химических элементов от неживой природы из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы и возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов с их останками после смерти, а затем повторное поступление химических элементов в живые организмы после процессов деструкции и минерализации с помощью бактерий и грибов.

Круговорот веществ в природе - относительно повторяющиеся взаимосвязанные физические, химические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе. Различают большой круговорот веществ, или круговорот воды на планете, и малый, или биологический, круговорот.

Устойчивое развитие – развитие такой системы «общество – природа», которая обеспечивает удовлетворение потребностей общества без ущерба основных параметров биосферы и одновременно не сокращает возможности будущим поколениям удовлетворять свои потребности.

Устойчивость экосистемы – способность экосистемы сохранять функционирование в пределах естественного колебания её параметров.

3) устный рассказ отдельных обучающихся по содержанию составленных дома конспектов

4) письменная работа остальных обучающихся с текстом по материалам параграфа:

- Прочтите текст и вставьте недостающие слова в предложения

Учение о биосфере

1. Биосферой называют область существования живых организмов. 2.Основоположником учения о ней является В.И. Вернадский. 3. Живая оболочка Земли имеет нечёткие границы, которые распространяются на 20км в атмосферу, занимают почти всю гидросферу и опускаются на 7,5км в литосферу. 4. В состав биосферы входит: живое вещество, косное вещество, биогенное вещество, биокосное вещество. 5. Совокупность всех живых организмов планеты образует живое вещество. 6. Вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов, например, кислород, торф, нефть, называется биогенным. 7. Косное вещество – это вещество, сформировавшееся без участия живых организмов. например, лава. 8. Смесь неживой природы с результатами деятельности живых организмов называется биокосным веществом. 9. В живом веществе по биомассе массе большую часть занимают растения – около 95%. 10. Живое вещество биосферы выполняет 3 IV Изучение нового материала:

1)большой круговорот веществ и энергии в природе – общие вопросы – активизация знаний обучающихся, выступление заранее подготовленного учащегося с использованием презентации, запись основных положений, зачерчивание схем:

- Как вы понимаете – что такое круговорот веществ и энергии?

- Какие виды круговорота вы знаете?

- На самом деле основных круговоротов два: большой (геологический) и малый (биохимический).

- В большом круговороте используется энергия солнца и энергия с глубин Земли.

- в большом круговороте перераспределяются (переносятся) вещества между биосферой и недрами Земли: магматическими и осадочными породами.

- Послушаем выступление о большом круговороте веществ.

Большой(геологический) круговорот веществ в природе

Магматические горные породы выветриваются, разрушаются и образуют осадочные гордые породы. В подвижных зонах земной коры (зоны вулканической активности) они вновь погружаются вглубь литосферы. Под действием высоких температур и давления осадочные горные породы вновь переплавляются и превращаются в магму.

В результате землетрясений, извержений вулканов новая магма поднимается на поверхность. Она остывает и вновь начинает выветриваться, разрушаться, образуя осадочные породы. Так вещества из недр Земли постоянно доставляются на её поверхность.

Но большой круговорот выглядит не как круг, а развивается по спирали. Это происходит потому, что каждый новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое (одни вещества улетучиваются, другие вещества включаются в круговорот в совершенно разных количествах – не таких, как было ранее). Это со временем приводит к весьма значительным изменениям.

К большому круговороту веществ и энергии относится и круговорот воды. Это круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Вода испаряется с поверхности Мирового океана. Кстати, на это затрачивается почти половина солнечной энергии, поступающей к поверхности Земли. Испарившаяся вода переносится ветром на сушу, где выпадает в виде осадков. Осадки стекают назад в Мировой океан поверхностными или подземными водами.

Круговорот воды происходит и по более простой схем: вода испаряется с поверхности океана, конденсируется и выпадает в виде осадков сразу в тот же океан. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тысяч км³ воды. Круговорот воды играет очень важную роль на планете, т.к. он участвует в формировании природных условий на планете (климат, ветер). Вода используется и живыми организмами. Таким образом, весь её запас на Земле распадается и вновь восстанавливается, т.е. происходит полное обновление всей воды за 2 млн. лет.

2) Малый (биогеохимический) круговорот веществ и энергии – общие вопросы – активизация знаний обучающихся, выступление заранее подготовленных учащихся с использованием презентации, запись основных положений, зачерчивание схем:

- Малый круговорот веществ, он же биогеохимический, в отличие от большого круговорота, протекает лишь в пределах биосферы.

- Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни.

- Изменяясь, рождаясь, умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете.

- Происходит это благодаря биогеохимическому круговороту.

- Сущность его в том, что живое вещество образуется из неорганических соединений в процессе фотосинтеза, в превращении органических веществ при разложении вновь в неорганические вещества.

- Неорганические вещества и солнечная энергия включаются из неживой природы в живую – превращаются в органические вещества.

- После смерти живых организмов органические вещества, разлагаясь, разрушаются до неорганических и возвращаются в неживую природу.

- Главным источником энергии малого круговорота является солнечная радиация, с которой начинается фотосинтез.

- Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара: на экваторе количества тепла в три раза больше, чем, например, на архипелаге Шпицберген (80⁰ северной широты).

- Часть солнечной энергии теряется: отражается, поглощается почвой, рассеивается и т.д.

- На фотосинтез тратится максимум около 5% от всей энергии солнца, а чаще всего вообще 2-3%.

- В масштабах планеты действует биогеохимический круговорот – обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО₂ и Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы, литосферы.

- Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами.

- Суть цикла в следующем: химические элементы поглощаются живыми организмами, потом покидают его (как продукт выделения или просто после смерти организма) и возвращаются в неживую природу, а затем, через какое-то время, вновь попадают в живой организм, и т.д.

- Такие химические элементы называются биофильными.

- Этими биогеохимическими циклами и обеспечиваются функции живого вещества в биосфере.

- В биогеохимических круговоротах имеется резервный фонд (вещества, не связанные с организмами) и обменный фонд (биогенное вещество, вещество вокруг организмов).

- В биосфере в целом выделяют: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан); 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

- Отдельно следует сказать, что на Земле лишь один процесс не тратит, а запасает, связывает и даже накапливает солнечную энергию – это фотосинтез.

- Мы помним, что энергия никуда не исчезает, а просто переходить из одного вида в другой.

- Только автотрофные организмы способны огромную энергию Солнца превращать в энергию химических соединений путём фотосинтеза.

- В этом заключается главная планетарная функция живого вещества на Земле.

- Рассмотрим основные биогеохимические циклы.

- Наиболее важным органическим веществом является белок.

- В состав белка входят углерод, азот, кислород, фосфор и сера.

- Рассмотрим круговороты этих веществ.

- В их основе лежат трофические (пищевые) связи.

- Вспомните: кто такие продуценты, консументы, редуценты?

- Продуценты – создатели органического вещества – это все растения и часть бактерий.

- Консументы – это потребители органического вещества.

- Выделяют консументы 1 порядка – травоядные, консументы 2 и последующих порядков – хищные животные.

- Редуценты – это разрушители, разлагатели органического вещества до простых неорганических веществ.

- Чаще всего это часть животных, бактерии, грибы.

- Послушаем выступления о малых круговоротах.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода

Круговороты углерода, азота, кислорода более совершенные, т.к. их много в атмосфере.

Рассмотрим круговорот углерода, а точнее наиболее подвижной его формы – углекислого газа. В основе этого круговорота лежит трофическая (пищевая) цепь:

продуценты (растения) улавливают углерод из неживой природы – из атмосферы - в процессе фотосинтеза; консументы (животные) поглощают тела продуцентов, других консументов ; благодаря этому углерод курсирует из тела растений в тела животных; редуценты (черви, грибы, бактерии) разлагают отмершие тела, превращают их в почву, возвращая тем самым углерод вновь в неживую природу. Скорость оборота углекислого газа около 300 лет.

В Мировом океане трофическая цепь нарушается, т.к. часть углерода в мёртвых организмах падает на дно, уходит в осадочные породы. Частично он накапливается в биосфере в форме мела, известняка, кораллов, каменного угля, нефти и надолго остаётся вне круговорота. В процессе жизнедеятельности растений, животных и человека углерод может быть освобождён и тогда вновь окажется в круговороте.

Больше всего во включении углерода в живые тела принимают участие леса, они содержат до 500млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания углекислого газа в атмосфере.

Рассмотрим круговорот кислорода. Земля – единственная планета Солнечной системы, где в атмосфере содержится много свободного кислорода. Скорость круговорота кислорода – 2тысячи лет. Основной поставщик кислорода на Земле – зелёные растения и фотосинтезирующие цианобактерии. Ежегодно растения выделяют около 500*10⁹ т кислорода. Главные потребители кислорода – животные, почвенные организмы, сами растения и человек. Все они дышат кислородом, используя его, таким образом, для образования энергии в виде молекул АТФ.

Подсчитано, что человек тратит на промышленные и бытовые нужды 23% кислорода, вырабатываемого в процессе фотосинтеза растениями. Следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры. Необходимо помнить, что многие растения в зимний период не осуществляют фотосинтез. Только леса Южной Америки (Амазония, Тасмания) круглый год снабжают планету кислородом, являясь «лёгкими» планеты.

Круговорот азота не менее сложен и охватывает всю планету. Запасы азота в атмосфере неисчерпаемы - азот занимает 78% от её объёма. Но поглощение его растениями ограничено, т.к. использовать чистый азот они не могут, а только азот в соединении с водородом или кислородом. Биологическую фиксацию азота могут осуществлять только некоторые прокариоты: азотофиксирующие аэробные бактерии (азотобактер), некоторые анаэробные почвенные бактерии (клостридиум) и клубеньковые бактерии (ризобиум). Эти бактерии «дружат» путём симбиоза с бобовыми растениями, ольхой, облепихой и т.д. Поселяясь на корнях этих растений, бактерии насыщают их азотом. От этих растений через цепи питания азот получают все остальные организмы. Наряду с азотофиксирующими бактериями, в природе есть бактерии возвращающие азот в природу – денитрифицирующие бактерии. Проблема в том, что сначала соединения азота превращаются бактериями гниения в нитраты, нитриты, аммонийные соединения. Часть нитратов загрязняет подземные воды, впитывается растениями из почвы. Азот возвращается бактериями в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Американские учёные подсчитали, что если будет уничтожено только 12 видов таких бактерий, то жизнь на Земле прекратиться.

Круговорот фосфора и серы

Круговороты серы и фосфора очень важны, но менее совершенны, т.к. основная их масса содержится в резервном, «недоступном» фонде. Эти круговороты – типичные примеры осадочных циклов, которые легко нарушаются и часть веществ выходит из круговорота. Возвратиться обратно в круговорот вещества могут лишь в результате геологических процессов (извержение вулканов, поднятие и опускание земной коры) или путём извлечения живыми организмами.

Из всех элементов фосфор считается наиболее дефицитным. Он входит в состав цитоплазмы и нуклеиновых кислот клеток. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В случае подъёма этих пород, их выветривания, фосфор выносится в море в виде известного минерала апатита.

Общий круговорот фосфора можно разделить на две части – водную и наземную. В воде фосфор усваивается фитопланктоном и передаются по пищевой (трофическое) цепи от организма к организму вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот. Но часть скелетов рыб после их гибели падает глубоко на дно океана, и фосфор выпадает из круговорота, откладываясь в осадочных породах.

На земле фосфор извлекается растениями из почвы и далее переходит по цепи питания из одного организма в другой. Возвращается фосфор в почву после гибели растений, животных или с их экскрементами. Теряется фосфор, когда с водой вымывается из почвы и переносится в водоёмы. Это вызывает бурный расцвет водных растений, «цветение» водоёмов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Это может привести к потере запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов), поэтому человечеству не следует ждать, когда Земля сама вернёт потерянные отложения.

Сера, также, как и азот, входит в состав аминокислот белков, из которых состоят клетки. Сера тоже имеет основной резервный фонд в отложениях и в почве, а также и в атмосфере. В горных породах сера встречается в виде сульфидов, в растворах в виде иона, в газообразной форме в виде сероводорода или сернистого газа. В некоторых организмах она накапливается в чистом виде, и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. И в воде, и на суше серу в виде иона (SO₄) усваивают автотрофные организмы (в основном растения). Она переходит из организма в организм по цепям питания. После их гибели сера возвращается в почву или воду и может быть использована снова.

Однако, круговорот серы часто нарушается деятельностью человека. Виной тому, прежде всего сжигание ископаемого топлива, особенно угля. Сернистый газ (SO₂) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

- И так, мы рассмотрели основные круговороты веществ и энергии, протекающие на Земле.

3) Механизмы устойчивости биосферы – беседа с обсуждением спорных вопросов:

- Биосфера – это открытая система

- Что это значит? ( в неё постоянно поступают из космоса энергия, вещества)

- Биосфера остаётся стабильной, устойчивой – почему это происходит? (саморегуляция).

- Рассмотрим механизмы устойчивости биосферы:

1. Неизменное положение Земли в космосе в течение длительного времени – что это обеспечивает (постоянный приток солнечной радиации в определённом количестве во все части земного шара).

2. Геохимическая функция живого вещества – что это значит? (биологический круговорот веществ, в котором участвуют живые организмы, - главное условие существования биосферы)

3. Равновесие между образованием органических веществ и их расходованием (если равновесия не будет, круговорот нарушится).

4. Внутренняя упорядоченность экосистемы («всё связано со всем», мир – система, состоящая из взаимосвязанных элементов).

5. Видовое разнообразие - как это работает? (чем больше видов, тем меньше последствий от исчезновения какого-либо вида; исчезнувший вид тут же заменяется другим, живущим в сходных условиях).

V Физ.минутка

VI Закрепление изученного

1) Выполнение заданий из КИМов:

№1. Работа с текстом:

Прочтите текст

Известно, что на дне океанов погребены большие массы органических остатков, в том числе содержащих много фосфора. Происходит их медленная минерализация. Однако в круговороте этот фосфор участия не принимает.

Укажите основную причину этого явления и его возможные последствия (выполняется устно)

(круговорот фосфора не завершённый; последствия: возможно постепенное изъятие фосфора как элемента, что может привести даже к гибели организмов или их сильным изменениям, т.к. он входит в состав цитоплазмы и нуклеиновых кислот клеток; с другой стороны, если произойдёт поднятие дна Мирового океана, то фосфор может снова включиться в круговорот).

№2 Работа со схемой

Расставьте компоненты схемы в правильном порядке (письменно):

1. Азотфиксирующие бактерии

2. Аммиачные соединения почвы

3. Денитрифицирующие бактерии

4. Зелёные растения

5. Животные (заяц, лось)

6. Атмосферный азот

7. Азот в составе белков (растительных и животных)

Ответ: 6, 1, 4, 5, 7, 3, 2

Как круговорот азота связан с цепью питания лося? (ест клевер и др. дикорастущие бобовые растения)

Какие изменения произойдут в круговороте, если из него изъять азотфиксирующие бактерии и почему? (азот не будет включён в биологический круговорот)

Можно ли азот отнести к хорошо сбалансированным круговоротам и почему? (является достаточно цикличным, т.к. азот не выпадает из биогеохимического круговорота).

№3 Работа со схемой (схема начерчена на доске)

Закончите схему круговорота углерода: покажите стрелками направления движения углерода, допишите названия компонентов, участвующих в круговороте: