_. 4

МЕББМ ҚАЗАҚСТАН-РЕСЕЙ НУО КАЗАХСТАНСКО-

МЕДИЦИНАЛЫҚ РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТІ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________________________

Кафедра общественного здравоохранения с курсом профилактической медицины

Қоғамдық денсаулық сақтау кафедрасымен профилактикалық медицина курсы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

ТЕМА №4. Учение о биосфере В.И.Вернадского, основные его положения. Круговорот веществ и трансформация энергии.

Факультет: «Общая медицина»

«Стоматология»

Дисциплина: «Экология и устойчивое развитие»

Курс: І

Алматы 2014

Тема практического занятия №4. Учение о биосфере В.И.Вернадского, основные его положения. Круговорот веществ и трансформация энергии.

Цель: формировать знаний у студентов об учении В.И. Вернадского о биосфере, концепции ноосферы, эволюции биосферы, об основных свойствах, закономерностях функционирования и экологических проблемах биосферы. Дать оценку современного состояния биосферы и определить основные пути решения экологических проблем, значения и роли экологического образования и воспитания в эпоху НТР.

Задачи обучения: ознакомить студентов с основными положениями учения о биосфере В.И. Вернадского, обучить принципам оценки роли Вернадского и его учения в развитии и функционировании биосферы в современном обществе, с понятием ноосферы –высшей стадии развития биосферы.

Основные вопросы темы:

1. Основные положения учения о биосфере В.И. Вернадского.

2. Биогеохимические циклы (круговорот веществ и трансформация энергии) и их виды.

3. Основные виды веществ по Вернадскому.

4. История развития биосферы.

5. Разделение живых организмов по способу питания

Методы обучения и преподавания (малые группы, дискуссия, ситуационные задачи, пабота в парах, презентации, кейс-стади и т.д.):

ролевые игры, работа в малых группах, дискуссия или дебаты.

Литература:

Обязательная:

1. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. Учебное пособие для вузов, средних школ и колледжей. - М.: ФАИР - Пресс, 2000. - 320 с.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек - экономика - Биота - среда: Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М: ЮНИТИ - ДАНА, 2000. - 566 с.

3. Шандала М.Г., Звиняцковский Я.И. Окружающая среда и здоровье населения. Киев: Здоровье, 1988, С.152.

4. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. Учебное пособие для небиологических вузов: 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа,1986, С.415.

5. Кенесариев У.И., Жакашов Н.Ж. Экология и здоровье населения. Учебник для ВУЗов и колледжей. - Алматы, 2002 -260 с.

Дополнительная:

1. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001. – 576 с.

2. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учебное пособие. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2000.-320с.

3. Пивоваров Ю.П. Королик В.В, Зиневич Л.С. Гигиена и основы экологии человека. Серия «Учебники и учебные пособия» Ростов на Дону: «Феникс», 2002. – 512 с.

2. Денисов В.В., Денисова И.А. Экология: 100 экзаменационных ответов. – М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/д: Изд.центр «МарТ»,2003.- С.8-23.

5. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы и ее окружения. М.: Наука, 1987, С.339

6. Израэль Ю.А. Экология и контроль природной среды. М.: Гидрометиздат, 1989, C.248.

7. Казначеев В.П. Очерки теории и практики экологии человека. М.: Наука. 1983, С.260.

8. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я. Приоритеты глобальной экологии. М.: Наука. 1992. С.263.

9. Новиков Ю.В., Шицкова А.П. Гармония или трагедия. М.: Наука. 1989, С.271.

10. Экзарьян В.Н. Геоэкология и охрана окружающей среды. М.: Экология, 1997, С.786.

11. Экология и защита биосферы: В 3-х кн. - М: Изд. объедин. «Международный дом сотрудничества», 1996.

12. Агаджанян Н.А., Торшин В.В. Экология человека. -М.: Крук, 1994.

Контроль (вопросы, тесты, задачи и пр.):

1. Когда и кем было сформировано учение о биосфере?

2. Понятие биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?

3. Из чего состоит абиотическая и биотическая части биосферы как глобальной экосистемы?

4. Что такое живое, косное, биокосное и биогенное вещества?

5. В чем заключается отличие живого вещества от косного?

6. Какова главная особенность биосферы?

7. Где проходят верхняя и нижняя границы биосферы?

8. Какие лимитирующие факторы ограничивают распространение жизни за пределы биосферы?

9. Охарактеризуйте основные свойства живого вещества?

10. Кто и когда ввел в науку термин «ноосфера»? Что этот термин означает?

11. Составьте принципиальную схему круговорота углерода на Земле.

9. Составьте принципиальную схему круговорота азота на Земле.

10. Приведите характеристику и основные свойства серы и ее круговорот в природе

11. Приведите характеристику и основные свойства фосфора и его круговорот в природе.

12. Составить тестовые вопросы по теме.

Информационно – дидактический блок.

Чтобы понять, что такое экология, необходимо вспомнить учение о биосфере — о тонкой оболочке Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов — вершина научных достижений В.И. Вернадского. Везде в пределах биосферы встречаются либо само живое вещество, либо следы его биохимической деятельности. Атмосфера, вода, нефть, уголь, известняки, глина и их производные (сланцы, мрамор и гранит) созданы живым веществом планеты.

Все жизненные процессы, происходящие в биосфере, являются объектом исследования экологии.

Автором термина «биосфера» является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. В несколько другом (геологическом) смысле данное понятие было употреблено в 1875 г. профессором Венского университета геологом Эдуардом Зюссом (1831-1914) в работе о строении Альпы. Он вывел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком, общем, смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский (1836-1945) в статье об истории рубидия в земной каре .

Биосфера (“биос”– “жизнь”) – часть Земли, в которой развивается жизнь организмов, населяющих поверхность суши, нижние слои атмосферы и гидросферу.

Биосфера – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной окружающей среды человека.

Земля и окружающая её среда сформировались в результате закономерного развития Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного протосолнечной системы газепылевого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6*10²¹ т, объём –1,083*10¹² км³, площадь поверхности – 510,2 млн. км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит концентрических оболочек (геосфер) – внетренних и внешних. К внутренним относится ядро, мантия, а к внешним- литосфера, гидросфера и атмосфера.

Основоположник современных представлений о биосфере советский естествоиспытатель В.И.Вернадский (1863-1945) писал: “Можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами. Несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни превращают эту космическую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим размножением, своим рождением и размножением порождают одно из грандиозных планетарных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы”.

В.И.Вернадский, таким образом, рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.

В.И. Вернадский выделяет в бисофере глубоко отличные и в то же время генетические связанные части :

- живое вещество – живые организмы ;

- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть и т.п.);

- косное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды );

- радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.);

- рассеянные атомы (химические элементы ), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии;

- вещества космического происхождения – метеориты, протоны, электроны.

Живое вещество – это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн видов организмов, из них 0,5 млн – растения, 1,5 – животных и микроорганизмы (из них 1 млн видов насекомых) .

Современная биосфера – это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа :

- начальный этап формирование и существования биосферы, где воздействия человека на природу незначительно;

- биотехносфера, когда деятельность человеческого общества становится существенным фактором в биосфере, возникает проблема предотвращения необратимых негативных последствий в природе. Пути ее решения лежат в управления процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны;

- ноосфера – сфера разума . Это понятие ввёл французский математик и философ Ле-Руа в 1927 г., а обосновал – В.И. Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслю область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из неё не может. Его существование есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

В основе современного учения о биосфере созданного В.И.Вернадским, лежит понимание диалектического единства, взаимосвязи и взаимообусловленности процессов, происходящих между минеральной (литосфера), водной (гидросфера) и газообразной (атмосфера) оболочками Земли. На современном этапе развития общества, когда деятельность человека приняла планетарный характер, когда человек стал главным действующим началом в биосфере, биосфера перешла в свою новую, более высокую ступень своего развития - ноосферу или сферу разума.

От разума общества зависит, как действовать в природе, чтобы с одной стороны, полнее удовлетворять потребности общества в природных ресурсах, а с другой - всемирно их восстанавливать, восполнять и охранять.

Перед современным обществом стоит задача не только сохранять на основе рационального использования богатства и продуктивности сегодня, но и предупредить отрицательные последствия вмешательства человека в будущем. Для этого необходимо всестороннее изучение и анализ многообразных процессов, постоянно происходящих в природе. Реальной основой для разработки такого подхода к природе является учение о биосфере Земли.

Ситуационная задача №1. Дать оценку изменениям биосферных процессов, возникающих в ответ на антропогенное загрязнение биосферы тепличными газами и способствующих развитию парникового эффекта.

Все виды солнечного излучения (от ультрафиолетового до инфракрасного) достигают земли и нагревают ее. Последняя переизлучает ранее накопившуюся тепловую энергию в вид ИК–излучения в Космос. Переизлученное ИК-излучение интенсивно поглощается некоторыми газами (СО2, СН4, NO2, фреонами). Указанные газы, называемые парниковыми, действуют в атмосфере как стекло в парнике: они беспрепятственно пропускают к Земле солнечную радиацию, но задерживают тепловое излучение Земли. В результате повышается температура ее поверхности, изменяются погода и климат.

Под парниковым эффектом понимают возможное повышение глобальной температуры планеты в результате изменения теплового баланса, обусловленного постепенным накоплением парниковых газов в атмосфере.

Основным парниковым газом является диоксид углерода: его вклад в парниковый эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65 %. К другим парниковым газам относится метан (около 20%), оксиды азота (примерно 5%), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10-25 % парникового эффекта). Всего известно около 30 парниковых газов, их утепляющий эффект зависит не только от количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для оксидов азота – 165, а для фреона – 11000.

Основными антропогенными источниками поступления СО2 в атмосферу является сжигание углеродсодержащего топлива (уголь, нефть, мазут, метан и др.). Ныне только от теплоэнергетики в атмосферу поступает около 1 т. углерода на человека в год; по прогнозам в первой половине XXI столетия выброс достигнет 10 млрд. т. Согласно Ю.В.Новикову (1998 г.), доли некоторых государств в глобальном выбросе СО2 таковы: США – 22%, Россия и Китай – по 11%, Германия и Япония – по 5%, остальные страны -около 46%.

Вследствие парникового эффекта среднегодовая темпе¬ратура на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3 - 0,6 оС. В настоящее время увеличение концентрации СО2 происходит примерно со скоростью 0,3 - 0,5 % в год. Уве¬личивается содержание и других парниковых газов: мета¬на - на 1 %, оксидов азота - на 0,2 % в год.

По разным ис¬точникам, удвоение содержания парниковых газов, кото-рое может произойти во второй половине текущего века, вызовет повышение среднегодовой температуры планеты на 1 - 3,5 оС.

Глобальное потепление климата и обусловленное им повышение уровня Мирового океана многими учеными рассматривается как величайшая катастрофа не только для отдельных экосистем, но и биосферы в целом:

1. В случае повышения уровня океана на 1,5 - 2 м под затопление попадает около 5 млн. км2 земель, причем наиболее плодородных и густонаселенных. На них проживает около 1 млрд. человек и собирается почти треть урожая многих сельскохозяйственных культур. Вынужденные переселения народов в глубь матери¬ков чреваты военными конфликтами и социальными потрясениями.

2. Помимо подъема уровня океана, потепление клима¬та будет сопровождаться увеличением степени неус¬тойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов, ускорением темпов вымирания животных и растений. Следстви¬ем этого, очевидно, явится резкое обострение продо¬вольственной проблемы.

3. Уменьшение различий температуры на полюсах и экваторе (в основном за счет более сильного потеп¬ления полюсов) вызовет, в свою очередь, подтаива¬ние вечномерзлых почв (таковых в России около 2 млн. км2) и высвобождение из них огромных количеств метана, что усилит парниковый эффект.

4. Изменение климата может оказать негативное влияние на здоровье людей как вследствие усиления теплового стресса в южных районах, так из-за распространения многих видов заболеваний.

Вышеизложенное дало основание Международной конференции по проблемам изменения климата (Торонто, 1979 г.) заявить, что «...конечные последствия парниково¬го эффекта могут сравниваться только с глобальной ядер¬ной войной».¬

Вопросы:

1. О нарушении каких функций живого вещества свидетельствует появление парникового эффекта?

2. Следствием нарушения человеком каких круговоротов веществ является возникновение парникового эффекта и почему?

3. Как изменяется продуктивность биосферы и видовое разнообразие при воздействии парникового эффекта?

4. Свидетельствует ли появление парникового эффекта о нарушении гомеостатических механизмов биосферы?

Ситуационная задача №2. Дать оценку изменениям биосферных процессов, возникающих в ответ на антропогенное загрязнение биосферы оксидами азота и углерода и способствующих возникновению кислотных дождей.

В последние 15 - 20 лет возникла сложная и трудная экологическая проблема кислотных дождей (рН менее 5,0). При сжигании различных видов топлив, а также с выбросами различных предприятий в атмосферу поступает значительное количество оксидов серы и азота. При взаимодействии их с атмосферной влагой образуется азотная и серная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает раствор с кислой реакцией.

Согласно расчетам, доля диоксида серы в образовании кислых осадков составляет около 70%. Появлению кислых осадков способствует также СО2; из-за его постоянного присутствия в атмосфере нормальным является рН осадков 5,6.

В дальнейшем кислоты выпадают на поверхность суши или водоема в виде кислотных дождей или иных атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков с рН 2,2 - 2,3, что соответствует кислотности уксуса.

Общее количество выбросов SO2 и NO2 в мире ежегодно составляет более 250 млн. т. В пересчете на душу населения количество выбросов (кг/год): в Дании – 4, бывшем СССР – 18, Англии – 32, Польше – 55, Австрии – 8, Германии – 160, Италии – 20, Швеции – 6 (Войткевич Г.В., Вронский В.А., 1996 г.).

Кислые осадки особенно типичны для Скандинавских стран, а также Англии, ФРГ, Бельгии, Дании, Польши, Канады, северных районов США. В городах до 70 - 90% загрязнений в атмосферу, в том числе и способствующих образованию кислых осадков, поставляет автотранспорт.

Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: почвы, водные экосистемы, растения, памятники архитектуры, строения и другие объекты в той или иной степени страдают от них.

Поступая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотфиксаторов и других организмов почвенной среды. При рН, равном 5 и ниже, в почвах резко возрастает растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, и ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы,

нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Как результат происходит ухудшение качества питьевой воды.

Действие кислых осадков на водные экосистемы весьма многообразны. Попадая в водные источники, они повышают кислотность и жесткость воды. При рН ниже 6 сильно подавляется деятельность ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависти рост и развитие организмов. Особенно отрицательное действие проявляется в основном на яйцеклетках и молоди.

Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически лишившихся своих обитателей. Почти 20% рек и озер Швеции, Норвегии и Канады потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а 2200 озер фактически безжизненны. Около 1000 озер в США заметно подкислено, а более 3 тысяч имеют кислотность, неблагоприятную для многих обитателей.

Действие кислых осадков и атмосферных загрязнителей на леса способствует выщелачиванию из растений биогенов (особенно кальция, магния и калия), сахаров, белков, аминокислот. Кислые осадки повреждают защитные ткани, увеличивают вероятность проникновения через них патогенных бактерий и грибов, способствуют появлению вспышек численности насекомых. Такие воздействия имеют конечным результатом снижение фитоценозами продуктивности, а нередко и их массовую гибель. Накоплено много данных об отрицательном влиянии кислых осадков на растения через почву, прежде всего, в результате увеличения подвижности алюминия и тяжелых металлов. Свободный алюминий повреждает молодые корни, создает очаги для проникновения в них инфекции, а также вызывает преждевременное старение деревьев.

Особенно сильно повреждаются хвойные леса, что в первую очередь связано с большой продолжительностью жизни их хвои (4-6 лет), обусловливающей накопление в ней относительно больших концентраций токсикантов.

Сейчас особо много внимания уделяется поражению лесов в результате совместного действия традиционных загрязнителей (SO2, NO2) и озона. Приземный озон является в основном продуктом фотохимического смога. В его присутствии интенсивно разрушается хлорофилл, причем как в результате прямого влияния, так и через ускорение расходования витамина С, который защищает хлорофилл от окисления.

Вопросы:

1. О нарушении каких функций живого вещества свидетельствует появление кислотных дождей?

2. Следствием нарушения человеком каких круговоротов веществ является кислотные дожди и почему?

3. Как изменяется продуктивность биосферы и видовое разнообразие при действии кислотных дождей?

4. Свидетельствует ли появление кислотных дождей о нарушении гомеостатических механизмов биосферы?

Тесты:

1. Живым веществом Земли В. И. Вернадский называл всю массу:

а) живых организмов всех видов;

б) растений и животных всех видов;

в) наземных и почвенных животных;

г) живых организмов всех видов без бактерий и грибов.

2. Основоположником современного почвоведения является:

а) В. Н. Сукачёв;

б) М. М. Будыко;

в) А. А. Григорьев;

г) В. В. Докучаев.

3. Главным энергетическим источником для жизни на Земле является:

а) внутренняя энергия Земли;

б) космическая радиация;

в) энергия ветра и воды;

г) энергия Солнца.

4. Биосфера, как и любая экосистема, является:

а) закрытой системой;

б) открытой системой;

в) полностью автономной системой;

г) полностью независимой системой.

5. Плодородие почвы зависит от наличия такого слоя,как:

а)дерн;

б) слой, переходный к материнской породе;

в) слой опада;

г) гумус.

6. Животные, постоянно живущие в почве и не выхо­дящие кормиться на поверхность земли:

а) суслики;

б) кроты и медведки;

в) сурки и барсуки;

г)кролики.

7. Максимальная плотность жизни на суше сосредо­точена:

а) до высоты в 10 км;

б) до высоты в 1 км;

в) от 5 метров в глубь почвы и вверх до кроны де­ревьев;

г) под почвой — до глубины в 100 м.

8. Озоновый экран располагается:

а) на высоте 8—10 км на полюсах и более 25 км над экватором;

б) на высоте 25 км на полюсах и 10км над эквато­ром;

в) и на полюсах, и на экваторе в среднем на одной высоте, равной 15 км;

г) и на полюсах, и на экваторе на одной высоте — выше 25 км.

9. За период существования Земли процессы, обеспе­чивающие нашу планету энергией, претерпели су­щественные изменения, в результате которых;

а) уменьшилась доля внутреннего тепла от радио­активного распада и увеличилась доля тепла, пос­тупающего от Солнца;

б) увеличилась доля внутреннего тепла от радиоак­тивного распада и уменьшилась доля тепла от Солнца;

в) доля внутреннего тепла от радиоактивного рас­пада и от Солнца не изменилась во времени;

г) лишь слегка увеличилась доля внутреннего теп­ла от радиоактивного распада по сравнению с до­лей от Солнца.

10. Прогноз дальнейшего развития биосферы показывает, что температура на планете:

а) будет неуклонно понижаться;

б) останется на прежнем уровне;

в) будет неуклонно повышаться;

г) будет лишь немного понижаться.

11. По цепям питания свинец накапливается в живом веществе в следующей последовательности:

а) зоопланктон — рыбы — моллюски бентоса;

б) чайки, бакланы — хищные рыбы — морские котики;

в) бурые водоросли — кораллы — человек;

г) различные рыбы — хищные птицы — водоросли — ракообразные.

12. Водообмен в разных объектах и средах жизни происходит с разной скоростью:

а) в полярных льдах он идет быстрее, чем в поверхностных водах суши;

б) в крупных озерах он идет быстрее, чем в реках;

в) в реках он идет медленнее, чем в полярных льдах

г) в реках водообмен происходит быстрее, чем в крупных озерах.

13. При подъеме к вершине горы происходит не толь­ко изменение влажности и температуры воздуха, но и:

а) уменьшение радиоактивности;

б) изменение атмосферного давления воздуха;

в) уменьшение скорости ветра;

г) пылевое загрязнение воздуха.

14. Весь кислород атмосферы накопился за счет:

а) почвенных существ;

б) химических процессов в недрах Земли;

в) фотосинтеза;

г) водных животных.