Биосфера Земли. Кругооборот углерода в биосфере

Тема. Биосфера Земли. Кругооборот углерода в биосфере.

Автор: Гомулина Н.Н.

Тип урока. Комбинированный урок.

Цель урока.

• Изучить процесс биогенной миграции атомов углерода в биосфере.

• Продолжить формирование естественнонаучной картины мира путем демонстрации единства процессов эволюции звезд и планетарных систем и эволюции жизни на Земле.

• Продолжить формирование навыков работы с мультимедиа-объектами как источниками информации, преобразованию знаний из одной формы в другую.

Основные понятия. Биосфера. Биогенный цикл углерода. Круговороты воды, кислорода, углерода, азота и фосфора. Фотосинтез. Дыхание.

Мировоззренческий и развивающий аспекты урока. Формирование научного мировоззрения о биосфере. Использование интерактивных моделей и превращение информации в них в традиционные схемы.

Использование новых информационных технологий. Мультимедийный проектор, компьютер, желательно – интерактивная доска, курс «Открытая коллекция. Биология: теория эволюции, основы экологии, 10–11 классы»(Windows, Linux).

План урока.

I. Организационный момент. Актуализация знаний.

Объяснение плана урока.

Деятельность живых организмов служит основой круговорота веществ в биосфере. Важнейшими из них являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота и фосфора. Деятельность живых организмов составляет основу круговорота веществ в биосфере, одним из веществ является биогенный цикл углерода.

II. Изложение нового материала

Углерод – наиболее распространенный во Вселенной элемент, после водорода и гелия.

Все элементы тяжелее гелия сформировались не в первые три минуты существования Вселенной, а в процессе эволюции звезд. Была незначительная примесь дейтерия (изотопа гелия) и лития, буквально доли процента, которые успели образоваться за первые три минуты. Только через миллиард лет после Большого взрыва первыми звездами в космос были выброшены тяжелые элементы, например, углерод, железо, золото и т. д.

Поэтому можно сказать, что и Солнце, и планеты Солнечной системы, и все живые существа образовались из химических элементов, когда-то выброшенных взрывами сверхновых звезд. Большинство химических элементов, начиная с углерода С и вплоть до железа Fe (самого устойчивого элемента Вселенной, располагающегося на пике графика удельной энергии связи), образуются в массивных горячих звездах в процессе их эволюции. В последнее время теоретически доказана важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков, в их охлаждении, распаде на более мелкие сгустки. Таким образом, углерод – это не просто элемент, из которого состоят живые организмы, но и элемент, способствующий зарождению звезд и планет.

Кругооборот газа и пыли, а следовательно, и углерода.

На Землю углерод продолжает поступать из космоса и в настоящее время в виде космической пыли.

Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых построено все живое на Земле. В виде углекислого газа (СО₂) он поглощается из атмосферы растениями, которые, в свою очередь, поедаются животными. Скорость усваивания углерода растениями составляет 1,5·10¹¹ т. в год (для сравнения, его общая масса в растениях составляет около 5·10¹¹ т., в животных – 5·10⁹ т., а в атмосфере – 6,4·10¹¹ т.). В процессе фотосинтеза зеленый растения используют углекислоту и воду для синтеза органических соединений, выделяя в атмосферу кислород. В результате процессов окисления – дыхания (как животных, так и растений) и гниения – часть углерода возвращается обратно в атмосферу в виде углекислого газа.

Биосфера не является статичной и неизменной; с течением времени она эволюционирует. Важнейшим фактором при этом являются сами живые организмы. С момента своего возникновения они расширяли границы биосферы, изменяя ее состав. В результате этой деятельности за миллиарды лет появились горные породы и полезные ископаемые органического происхождения (известняки, каменный и бурый уголь, нефть).

Благодаря деятельности копро-, некро- и сапрофагов, углерод, содержащийся в продуктах выделения, а также в останках мертвых организмов, попадает в почву. Таким образом, осуществляется передача углерода по цепям питания. Накапливаясь в почве, углерод участвует в образовании гумуса.

Усвоение растениями углерода из атмосферы
(схема этапов фотосинтеза).

Часть углекислого газа растворяется в воде и участвует в формировании скелетов водных обитателей. Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. Таким образом, эта часть углерода выводится из активного круговорота. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

Исключение углерода из активного круговорота
(этапы захоронения скелета погибшего животного).

Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива значительно повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта, а загрязнение океана нефтепродуктами приводит к гибели фитопланктона и снижает эффективность фотосинтеза.

III. Работа с интерактивной моделью «Кругообращение веществ в природе»

Интерактивная модель «Кругообращение веществ в природе» демонстрирует круговорот в природе четырех важнейших для жизнедеятельности веществ: воды, углерода, азота и фосфора. Работа с интерактивной моделью «Кругообращение веществ в природе» может быть запланирована только в части «Углерод» в рамках данного урока. Рекомендуется по данной модели организовать выступление учащихся (примерно троих) по каждому кадру модели, для этого ее рекомендуется останавливать, пользуясь кнопкой «Стоп».

IV. Закрепление материала, формирование умений и навыков

Вопросы:

1. Является ли углерод самым распространенным элементом во Вселенной?

Нет, самый распространенный элемент – водород.

1. В чем заключается важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков и образования звезд и планет?

В последнее время теоретически доказана важнейшая роль окиси углерода СО в процессе формирования протопланетных облаков, в их охлаждении, распаде на более мелкие сгустки. Таким образом, углерод – это не просто элемент, из которого состоят живые организмы, но и элемент, способствующий зарождению звезд и планет.

1. Продолжает ли поступать углерод из космоса в настоящее время?

Углерод продолжает поступать в виде космической пыли, которая оседает на почве и поступает в океан.

1. Что является основой круговорота веществ в биосфере? Каковы основные «приводные ремни» (источники энергии) этого процесса?

2. В каком виде углерод попадает из атмосферы в зеленые растения?

Одним из важнейших глобальных круговоротов является биогенный цикл углерода. Как известно, углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых построено все живое на Земле. В виде углекислого газа (СО₂) он поглощается из атмосферы растениями, которые, в свою очередь, поедаются животными. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углекислоту и воду для синтеза органических соединений, выделяя в атмосферу кислород. В результате дыхания (как животных, так и растений) часть углерода возвращается обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

1. Каким образом углерод вовлекается в биогенный круговорот из атмосферы?

Углерод входит в состав органических молекул, являясь важнейшим элементом для жизни. Продуценты в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферы. При дыхании он выделяется обратно. Углерод передается по цепям питания. После гибели организмов редуценты разлагают органические вещества до углекислого газа и воды. Естественный биохимический цикл углерода замыкается.

1. Каким образом углерод из растений попадает в организм животных?

По цепям питания.

1. В результате каких процессов жизнедеятельности живых организмов углерод возвращается в атмосферу?

В процессе дыхания живых организмов.

1. Каким образом углерод мигрирует в почву?

Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ.

1. Какова роль водной среды в биогенном круговороте углерода?

В воде часть углекислого газа растворяется и участвует в формировании скелетов водных обитателей (в том числе и коралловых рифов).

1. В каком виде углерод исключается из активного круговорота?

В виде ископаемых остатков и горных пород. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.

1. В образовании какой структуры организма животных углерод принимает непосредственное участие?

В образовании скелета. Углерод входит в состав органических молекул, являясь важнейшим элементом для жизни. Продуценты в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ из атмосферы. При дыхании он выделяется обратно. Углерод передается по цепям питания. После гибели организмов редуценты разлагают органические вещества до углекислого газа и воды. Естественный биохимический цикл углерода замыкается. В воде часть углекислого газа растворяется и участвует в формировании скелетов водных обитателей (в том числе и коралловых рифов). При отложении осадков и образовании полезных ископаемых углерод выпадает из цикла. Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива (каменный уголь, нефть, газ) повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта. Загрязнение океана препятствует фотосинтезу.

1. Какова роль человека в изменении глобального круговорота углерода в биосфере?

Человек вносит заметные изменения в круговорот углерода. Сжигание ископаемого топлива значительно повышает содержание углекислого газа в атмосфере, что увеличивает уровень парникового эффекта, а загрязнение океана нефтепродуктами приводит к гибели фитопланктона и снижает эффективность фотосинтеза.

Тестовые задания рекомендуется проецировать на интерактивную доску, чтобы задание было видно всему классу. Опрос проводить фронтально, объясняя сложные вопросы. Обратить внимание, что вопросы по форме соответствуют заданиям групп А и В ЕГЭ.

Общий вид тестовых заданий виден на рисунке. В некоторых заданиях верными могут являться несколько дистракторов.

Задание «Последовательность этапов биогенного круговорота углерода» (соответствует типу заданий В7-В8 формата ЕГЭ)

1. В каком виде часть углерода возвращается в атмосферу?

1. В виде метана.

2. В виде карбонатов.

3. В виде паров угольной кислоты.

4. В виде углекислого газа.

2. Какие из перечисленных полезных ископаемых имеют биогенное происхождение?

1. Железная руда.

2. Каменный уголь.

3. Алмаз.

4. Нефть.

5. Известняк.

6. Кварц.

3. В каком виде углерод попадает из атмосферы в зеленые растения?

1. В виде карбонатов.

2. В виде углекислого газа.

3. В виде разнообразных органических соединений.

4. В виде чистого углерода.

4. Какие из перечисленных полезных ископаемых образовались без участия живых организмов?

1. Бурый уголь.

2. Алмаз.

3. Известняк.

4. Медный колчедан.

5. Каменный уголь.

6. Нефть.

5. В результате какого процесса углерод выводится из активного круговорота?

1. В результате дыхания живых организмов.

2. В результате фотосинтеза.

3. В результате гниения органических остатков.

4. В результате захоронения неразложившихся останков живых организмов.

6) В результате каких процессов углерод возвращается в атмосферу?

1. В результате дыхания животных.

2. В результате фотосинтеза.

3. В результате захоронения неразложившихся остатков живых организмов.

4. В результате дыхания растений.

5. В результате гниения органических остатков.

6. В результате сжигания ископаемого органического топлива.

7) Установите последовательность этапов биогенного круговорота углерода. (варианты ответов в тестовом задании автоматически перемешивается)

1. Накопление углерода в виде ископаемых и горных пород.

2. Поглощение растений животными.

3. Поглощение зелеными растениями углекислого газа.

4. Синтез сложных органических веществ растениями.

5. Миграция углерода в почву.

6. Естественная гибель живых организмов.

Верные ответы

Верная последовательность этапов 7 задания:

1. Поглощение зелеными растениями углекислого газа.

2. Синтез сложных органических веществ растениями.

3. Поглощение растений животными.

4. Естественная гибель живых организмов.

5. Миграция углерода в почву.

6. Накопление углерода в виде ископаемых и горных пород.

Примерный ответ учащихся:

Одним из важнейших глобальных круговоротов является биогенный цикл углерода. Как известно, углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых построено все живое на Земле. В виде углекислого газа (СО₂) он поглощается из атмосферы растениями, которые, в свою очередь, поедаются животными. В процессе фотосинтеза зеленые растения используют углекислоту и воду для синтеза органических соединений, выделяя в атмосферу кислород. В результате дыхания (как животных, так и растений) часть углерода возвращается обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Из останков мертвых организмов углерод попадает в почву и накапливается там, образуя гумус, торф, каменный уголь, нефть, природный газ. В активном круговороте участвует лишь небольшое количество углерода, поскольку его огромные запасы законсервированы в известняках и других породах.