Усі уроки до курсу «Екологія». 11 клас

УРОК 29. КРУГООБІГИ РЕЧОВИН, ЕНЕРГІЇ, ІНФОРМАЦІЇ ТА ЇХ ЗМІНИ АНТРОПОГЕННОЮ ДІЯЛЬНІСТЮ

Цілі уроку: ознайомити учнів зі змінами кругообігу речовин, енергії та інформації внаслідок антропогенної діяльності; розвивати навички узагальнення та зіставлення; виховувати позитивне мислення.

Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації із зображенням процесів деградації природних компонентів та їх наслідків.

ХІД УРОКУ

I. Організаційний етап

II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів

1. Що таке кругообіг речовин та енергії?
2. Які елементи беруть участь у кругообігу на нашій планеті?
3. Що таке біогеохімічний цикл?
4. Яке значення для життя на планеті мають біогеохімічні цикли?

III. Вивчення нового матеріалу

Просторове переміщення речовин у межах геосфер, або, інакше кажучи, їхня міграція, поділяється на п’ять основних типів:

1. Механічне перенесення (без зміни хімічного складу речовин).
2. Водне (міграція здійснюється за рахунок розчинення речовин та їх подальшого переміщення у формі йонів або колоїдів). Це один із найважливіших видів переміщення речовин у біосфері.
3. Повітряне (перенесення речовин у формі газів, пилу або аерозолів із потоками повітря),
4. Біогенне (перенесення здійснюється за активної участі живих організмів).
5. Техногенне, що є результатом господарської діяльності людини. Інтенсивність кругообігу речовин у будь-якому біогеохімічному циклі є найважливішою характеристикою. Оцінити таку інтенсивність непросто. Одним із найдоступніших індексів інтенсивності біологічного кругообігу речовин може бути співвідношення маси підстилки та іншого органічного опаду, який є в будь-якому біомі, та маси опаду, що утворюється за один рік. Чим більше цей індекс, тим, очевидно, нижче інтенсивність біологічного кругообігу.

Реальні оцінки показують, що в тундрі значення цього індексу максимальні, а отже, тут мінімальна інтенсивність біогеохімічних циклів. У зоні тайги інтенсивність біологічного кругообігу зростає, а в зоні широколистяних лісів стає ще більшою. Найбільша швидкість кругообігу речовин реєструється в тропічних і субтропічних біомах: саванах і вологих тропічних лісах. В агроекосистемах біогеохімічний кругообіг відбувається інтенсивно, але якісні його параметри вже інші.

Живі організми біосфери ініціюють і реалізують велику кількість широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Метаболізм живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, навпаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, амоніак, метан, водяна пара та багато інших речовин. Під впливом накопичення в атмосфері вільного кисню, який є продуктом життєдіяльності зелених рослин, на Землі почали переважати окисні процеси, які відіграють важливу роль в абіогенному й біогенному перетвореннях вуглецю, заліза, міді, азоту, фосфору, сірки та багатьох інших елементів. У той же час на планеті збереглися і відновні процеси, які здійснюють анаеробні організми. Результатом цих планетарних процесів є утворення таких суто біогенних покладів, як осадові гірські породи: вапняки, фосфати, силікати, кам’яне вугілля та ін. Усі вони — результат життєдіяльності живих організмів.

За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Такий кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси й сонячна енергія, дістав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер. Тривалість його існування — близько 4 млрд років. Потужність великого (геологічного) кругообігу речовин в атмосфері, гідросфері та літосфері оцінюється у 2 • 10¹⁶ тонн/рік.

Виникнення життя на Землі спричинило появу нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються, в основному, Карбон (10¹¹ т на рік), Оксиген (2 • 10¹¹ т на рік), Нітроген (2 • 10¹¹ т на рік) і Фосфор (10⁶ т на рік).

Зараз обидва кругообіги відбуваються одночасно, тісно пов’язані між собою. Завдяки взаємодії різних груп живих організмів між собою та з навколишнім середовищем в екосистемах виникає певна й притаманна кожному виду екосистем структура біомаси, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовну передачу речовини й енергії між трофічними рівнями.

Проблеми народонаселення та ресурсів біосфери тісно пов’язані з реакціями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологічно сбалансований стан навколишнього середовища зазвичай називають нормальним. При цьому відбуваються малий (біологічний) і великий (геологічний) кругообіги речовин і встановлюються енергетичні баланси між різноманітними геосферами й космосом, що поєднує природу в єдине ціле.

Геохімічний параметр стану навколишнього середовища в наш час унаслідок антропогенного впливу суттєво змінився, особливо стосовно біологічного й геологічного кругообігів. Під впливом людської діяльності відбуваються великі зміни в розподілі хімічних елементів у біосфері, природна й антропогенна трансформація речовин, а також перехід хімічних елементів з одних сполук до інших. Природний біологічний кругообіг речовин порушений людиною на площі, яка досягає майже половини всієї поверхні суходолу: антропогенні пустелі, індустріальні та міські землі, сади, вторинні низькопродуктивні ліси, виснажені пасовища і т. д. Порушення геологічного кругообігу речовин спричинили такі фактори:

ерозія ґрунтового покриву і збільшення кількості твердого стоку в океан;
переміщення величезних мас земної кори;
видобування з надр чималих кількостей руд, пальних та інших копалин;
перерозподіл солі в ґрунтах, ґрунтових і річкових водах під впливом зрошувального землеробства;
застосування мінеральних добрив та отрутохімікатів;
забруднення середовища сільськогосподарськими, промисловими й комунальними відходами;
потрапляння до природного середовища енергетичних забруднень.

IV. Практична робота

Тема роботи. Аналіз мас хімічних елементів, залучених до основних глобальних потоків біосфери

Мета роботи: на прикладі Карбону й Оксигену провести аналіз мас хімічних елементів, залучених до основних глобальних потоків біосфери.

Обладнання й матеріали: картки для практичної роботи зі схемами кругообігу елементів, робочий зошит.

Хід роботи

1. Використовуючи картку для практичної роботи, встановити, яка маса Карбону залучена до основних глобальних потоків біосфери, а яка перебуває в інертному стані.
2. Використовуючи картку для практичної роботи, встановити, яка маса Оксигену залучена до основних глобальних потоків біосфери, а яка перебуває в інертному стані.
3. Зробіть висновки, де вкажіть особливості глобальних потоків біосфери, до яких залучено основні маси Карбону й Оксигену.

Теоретичні відомості для виконання роботи

Особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і стають недоступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність процесів спалювання палива, у тому числі й для потреб сільськогосподарського виробництва, призводить до надходження в атмосферу близько 20 млрд тонн вуглекислого газу та 700 млн тонн інших газів і твердих часток. Самі вирубки лісу призводили тільки на території СРСР до винесення з екосистем лісу до 1,2-5 тис. тонн фосфору, 6-20 тис. тонн азоту та 1,2-6 тис. тонн силіцію. Перенесені в урбанізовані райони або агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім, або тимчасово виключеними з природного кругообігу. Ці процеси, по суті, ведуть до появи нового техногенного типу кругообігу хімічних елементів.

Для повного відновлення всього атмосферного кисню потрібно 2000 років. Якщо не враховувати антропогенної діяльності, наразі процеси фотосинтезу й дихання зрівноважені. Тому накопичення кисню в атмосфері не відбувається і його вміст залишається сталим. Оксиген, фіксований літосферою у вигляді алюмосилікатів, кремнезему, карбонатів, сульфатів, оксидів Феруму тощо, становить 590 • 10¹⁴ т. У біосфері циркулює 39 • 10¹⁴ т Оксигену у вигляді газу чи сульфатів, розчинених в океанічних і континентальних водах.

Більша частина кисню, що виробляється протягом геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів Феруму, і її маса становить 5,9 • 10¹⁶ т. Маса кисню, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських і континентальних водах, у декілька разів менша (0,4 • 10¹⁶ т).

Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд т вуглекислого газу, виділяють в атмосферу близько 250 млрд т кисню й розщеплюють 140 млрд т води, утворюючи понад 230 млрд т органічної речовини (у перерахунку на суху вагу). Величезні кількості води проходять через рослини й водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану — приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотен років, а кисень — за декілька тисяч років.

Карбон бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків і нуклеїнових кислот. Основна масса акумульована в карбонатах на дні океану (10¹⁶ т), у кристалічних породах (10¹⁶ т), кам’яному вугіллі й нафті (10¹⁶ т) і бере участь у великому циклі кругообігу. Основна ланка великого кругообігу Карбону — взаємозв’язок процесів фотосинтезу й аеробного дихання {див. мал.).

Інша ланка великого циклу кругообігу Карбону являє собою анаеробне дихання (без доступу кисня); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки на метан та інші речовини (наприклад, у болотних екосистемах, на смітниках відходів). У малому циклі кругообігу бере участь Карбон, що міститься в рослинних (близько 10¹¹ т) і тваринних (около 10⁹ т) тканинах.

V. Домашнє завдання

Опрацювати теоретичний матеріал за відповідною темою.