Цель: показать, что биосфера является системой, способной к саморегуляции, высшим уровнем организации жизни на Земле.

Задачи:

Оборудование: видеомагнитофон, видеофрагменты, информация.

Метод проектно-исследовательский.

1. Вступление.

Аномальные погодные условия ноября – декабря 2006 года привели к обострению полемики о грядущей экологической катастрофе биосферного уровня, то есть угрожающего существованию всего живого на планете. Учащиеся 10 – 11 классов в достаточной степени вооружены знаниями в области физики, химии, географии, биологии, чтобы выработать собственное отношение к вопросам изменений, происходящих в биосфере.

2. Актуализация.

Вы видите на доске слова: «Глобальное потепление или апокалипсис?» Именно обсуждению этой проблемы была посвящена одна из программ Владимира Познера «Времена». Просмотрите видеофрагмент этой передачи.

В чём суть вопроса? О чём спорили всемирно известные учёные?

- Причиной глобального потепления является деятельность человека или глобальное потепление – норма, результат высокой солнечной активности.

- Грозит ли человечеству гибелью глобальное потепление? Если да, что делать?

Чтобы ответить на эти вопросы, попробуем проанализировать предложенную информацию, учитывая, что биосфера – это система, имеющая самый высокий уровень организации жизни на Земле, обладающая всеми признаками системы:

3. Организация работы в группах.

Во время работы в группах просьба использовать рабочие листы и следовать указаниям на них. Так как все живые организмы нуждаются для жизнеобеспечения в энергии, 1,2,3 группы будут исследовать процессы, связанные с потоками энергии в биосфере, согласно первому закону термодинамики: «Энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одного вида в другой».

I группа. Изучает поступление энергии от Солнца и её превращение в энергию химических связей органических соединений, то есть работает на определённом уровне организации жизни. Здесь важны знания в области физики и химии.

II группа. Работает по вопросам энергообеспечения организмов, определяя уровень прохождения процессов энергообмена.

III группа. Отслеживает перемещение энергии по цепям питания, делает выводы о потоках энергии на данном уровне организации живого.

IY группа. Рассматривает воздействия антропогенного характера на планету, определяет степень влияния человека на биосферу.

V группа. Анализирует изменения климата на планете в ходе эволюции, пытается вскрыть их причины и отследить процессы саморегуляции биосферы.

4. Афиширование.

Выступление учащихся, работавших в группах.

Учитель акцентирует внимание на прохождении процессов на определённых уровнях организации живого. На атомно – молекулярном уровне идёт процесс перехода энергии солнечных лучей в энергию возбуждённых электронов. На органоидном уровне идёт разделение зарядов и возникновение разности потенциалов. Кинетическая энергия движущихся по каналу АТФ- синтетазы протонов превращается в энергию макроэргических связей АТФ, а затем эта энергия используется для процессов фиксации углекислого газа. Процесс фотосинтеза может проходить только в клетке, при этом, если организм многоклеточный, в нём участвуют вегетативные органы растения, значит это организменный уровень организации живого. По цепям питания переходит энергия в биогеоценозах – это биоценотический уровень.

Таким образом, налицо взаимосвязь физических, химических и биологических процессов, проходящих в биосфере. В этом проявляется интегративность.

Постоянный поток энергии и вещества говорит об открытости системы. Переход энергии осуществляются на разных уровнях организации, что подтверждает структурированность (состоит из элементов) и иерархичность (соподчинённость) компонентов биосферы.

Действие антропогенного фактора несомненно. Величина его воздействия в настоящее время соизмерима с процессами, идущими в неживой природе. Если человечество, нарушая стабильность биосферы, не хочет быть уничтоженным ею, оно предпримет все меры для сохранения окружающей среды.

Работа аналитической группы показала, что на протяжении эволюции неоднократно возникали периоды, сопровождавшиеся глобальным потеплением, это закономерно. Всегда проявлялась целеустремлённость биосферы в сохранении стабильности параметров за счёт целого ряда механизмов стабилизации. Демонстрация видеофрагмента «Конвейер Гольфстрима».

5. Обобщение и выводы по уроку:

Информация к уроку

1. ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ.

Солнце – источник энергии для жизни на Земле. Более 5 миллиардов лет энергия солнца рассеивается в виде тепла, излучаясь в космическое пространство. На Земле возникли системы, способные захватывать часть свободной энергии и использовать энергию для поддержания своей организации, а также для её распространения. Следовательно, живая материя является частью физического мира.

Живые организмы – открытые системы, способные организовывать поступление энергии и вещества извне. Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, протекание которых строго упорядочено во времени и пространстве. Так, жизнедеятельность клетки человека требует протекания 10000 реакций одновременно и согласовано, на что, безусловно, расходуется энергия.

По первому закону термодинамики или закону сохранения энергии, энергия не возникает и не исчезает бесследно, она переходит из одной формы в другую.

Процессы в системах идут в одном направлении: теплота переходит от тёплого тела к холодному, ионы перемещаются только по градиенту концентрации и так далее. Естественные процессы неизбежно приводят к состоянию энтропии, т.е. равновесному состоянию. Закономерности изменения энтропии, описываются вторым законом термодинамики.

СПОСОБНОСТЬ ПРОТИВОСТОЯТЬ НАРАСТАНИЮ ЭНТРОПИИ ЯВЛЯЕТСЯ ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ СВОЙСТВОМ ЖИВЫХ СИСТЕМ.

По способу получения энергии организмы подразделяются на:

В процессе жизнедеятельности живые организмы преобразуют энергию макроэргических связей АТФ:

2. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ПОТОК ЭНЕРГИИ.

Поток энергии у представителей различных групп организмов обеспечивается механизмами энергообеспечения, дыханием, брожением, Фотосинтезом и хемосинтезом . Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного «топлива» в виде АТФ. Энергия АТФ непосредственно, или будучи перенесённой на другие макроэргические соединения, в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы.

Среди органелл клетки особое место принадлежит митохондриям, выполняющим функции окислительного фосфорилирования, также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы – гликолиз. В связи с неполным окислением в отсутствие кислорода в процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии. ПВК – продукт неполного окисления глюкозы, поступает в митохондрии, где в условиях полного окисления, сопряжённого с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию.

Механизм энергообеспечения клетки отличается эффективностью: КПД хлоропласта – 25%, митохондрии – 45 – 60%, существенно превосходя аналогичный показатель паровой машины – 8% или двигателя внутреннего сгорания – 17%.

Реакции дыхательного обмена не только поставляют в клетку энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Особая роль в этом принадлежит циклу Кребса. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов большинства соединений, служащих продуктами синтеза химических компонентов клетки. В цикле Кребся происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой. Дыхательный обмен составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот. В цикле Кребса на внутренней мембране митохондрий, где имеются ферментные системы аэробного окисления, ПВК подвергается окислительному декарбоксилированию и одновременно присоединяется кофермент А, обладающий макроэргической связью.

В результате присоединения к ЩУК образуется лимонная кислота. На всех этапах цикла Кребса при переходе от одной карбоновой кислоты к другой протекают реакции декарбоксилирования, дегидрирования и внутримолекулярных перестроек, будут отщепляться протоны водорода, которые тут же захватываются акцепторами НАД, НАДФ, ФАД и идёт их восстановление. В дыхательной цепи идёт перенос электронов, акцептором которых является кислород. Идёт синтез АТФ за счёт возникшей на мембране разницы потенциалов.

3. ФОТОСИНТЕЗ.

Основным и практически неиссякаемым источником энергии на поверхности Земли является энергия солнечного излучения. Полный поток солнечного излучения близок к 1400 ВТ\кв.м. Значительная часть этой энергии приходится на фотосинтетически активную радиацию, эффективно поглощаемую пигментами, участвующими в фотосинтезе растений и бактерий.

Фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии. В результате этого процесса из простых веществ – углекислого газа и воды – синтезируются углеводы и выделяется молекулярный кислород. Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле нет другого процесса, который мог бы так же сильно преобразовать нашу планету.

На каждый ассимилированный в процессе фотосинтеза моль углекислоты запасается 114 ккал энергии. Любое вещество, поглощая квант света переходит в возбуждённое состояние, что можно рассматривать как преобразование энергии электромагнитного излучения и её запасание. Энергия возбуждения электрона, поглотившего свет, очень быстро растрачивается в тепло или же вновь излучается в пространство. Следовательно, энергия света может запасаться на незначительные доли секунды. В результате же фотосинтеза энергия поглощённого кванта света запасается надолго: от минут и часов до сотен и даже миллионов лет (нефть, каменный уголь, природный газ, торф).

Масштабы фотосинтетического преобразования и запасания солнечной энергии огромны: каждый год на Земле образуется около 200 миллиардов тонн биомассы, что эквивалентно 7, 2 х 1020 кал. При этом надо отметить, что фотосинтез – единственный биологический процесс, протекающий с запасанием (увеличением) свободной энергии.

Ещё одно преимущество фотосинтеза состоит в том, что запасание солнечной энергии происходит в очень удобной форме – молекулярной, в виде богатых энергией органических соединений, которые в любой необходимый момент могут быть использованы растениями или получающими через них энергию гетеротрофными организмами для покрытия своих энергетических потребностей.

Остальные процессы как в растениях, так и у животных осуществляется за счёт химической энергии, накапливаемой в фотосинтетиках за счёт поглощённого солнечного света.

Следовательно, практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдалённый результат фотосинтетической деятельности растений.

Общее потребление энергии в мировом масштабе составляет 10% от всей энергии, запасаемой фотосинтезом.

4. МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.

Согласно второму закону термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идёт к своей дезинтеграции, так как запас полезной энергии, приводящий мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то её способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности – энтропия – растёт.

Строение живой материи существенно отличается от мёртвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энергию в количестве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что достигается путём создания таких элементов материи, которые способны:

Живое вещество биосферы способно продолжать своё «давление» на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления не ослабевает.

Антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как результат популяционного взрыва, который по закону будет неизбежно ликвидирован.

5. ЭНЕРГЕТИКА БИОГЕОЦЕНОЗОВ.

Мощность чистой первичной продукции растений, получаемой за счёт использования энергии Солнца, равна 1х1014ватт в год. В естественных экосистемах первичная продукция в основном перерабатывается гетеротрофными организмами (часть органики захоранивается в осадочных горных породах), что обеспечивает замыкание биологического круговорота – необходимое условие устойчивого функционирования биосферы.

В экосистемах суши около 90% продукции растительного происхождения потребляется редуцентами – бактериями и грибами – сапрофагами. Около 10% продукции растительности потребляется червями, моллюсками и членистоногими. Все позвоночные потребляют не более 1% . При таком соотношении экосистемы устойчивы.

В современной биосфере в антропогенный канал, образуемый людьми и домашними животными поступает 25% всей первичной продукции растений.
Двадцатипятикратное увеличение потребляемой человечеством первичной продукции происходит не только благодаря энергии Солнца, но в основном за счёт дополнительных источников энергии.

Чтобы обеспечить замкнутость биологического круговорота в природно – хозяйственных системах, для поддержания современного антропогенного потребления людям необходимо сконструировать аналог естественных экосистем с мощностью 1х1014 ватт. Дополнительное энергопотребление даже при наличии неограниченных запасов источников энергии (например, термоядерной) может разрушить стабильность климата Земли.