Учебные материалы для учащихся города Москвы для
реклама
«УТВЕРЖДЕНО» «Заказчик» «СОГЛАСОВАНО» «Исполнитель» Заместитель руководителя Департамента природопользования и охраны окружающей среды города Москвы Ректор Государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский институт открытого образования» __________________С.А. Мельников ___________________ О.Э. Крутова «______»_________2013 г. «______»_________2013 г. Аргунова М. В., Моргун Д. В., Плюснина Т.А., Ягодин Г.А. Учебные материалы для учащихся города Москвы для формирования экологических знаний и применения их в повседневной жизни (Государственный контракт от «12» июля 2013 г. № 0605-18/13) Москва 2013 1 СОДЕРЖАНИЕ Обращение к учащимся………………………………………….. 2 Как работать с учебными материалами…………………………. 4 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….6 Дополнительный текст «История экологии в терминах»………..11 §1. Солнечная система и планета Земля во Вселенной…………..20 Что мы знаем о Земле Дополнительный текст к §1 «Солнечная система и планета Земля во Вселенной»…………….25 §2. От возникновения жизни к появлению человека…………….. 31 §3. Экологические связи и организация жизни……………………44 §4. Уровни организации живых систем и законы устойчивости природы………………………………………………56 Игровые упражнения на взаимодействии и принятия коллективного решения……………………………………………….67 Подведем итоги. Основные законы устойчивости живой природы. Проведение читательской конференции……………………………..71 2 Дорогие друзья! Для сохранения целостности биосферы и её способности к самовосстановлению, возможности благополучно жить нынешним и будущим поколениям мировому сообществу была предложена стратегия устойчивого развития. Её основная идея состоит в том, что дальнейшее развитие цивилизации может происходить только в согласии с законами природы. Концепция устойчивого развития не требует от людей, живущих сегодня на Земле отказаться от всех благ цивилизации. Она предлагает людям брать от природы лишь то, что необходимо, точно просчитывая, что природа может восстановить. Мы должны использовать ресурсы рационально, избегая конфликта и с природой, и с людьми, которые нас окружают или живут далеко от нас, принимая здравые решения в отношении сегодняшнего и завтрашнего дня. Решить эту нелёгкую задачу предстоит сегодняшнему поколению школьников, обладающих высоким творческим потенциалом, знаниями из различных областей наук, способных выявлять экологические проблемы, находить эффективные пути их решения в интересах устойчивого развития. Уникальность данных материалов состоит в том, что в нем введена проблематика устойчивого развития общества на примере конкретного региона - мегаполиса Москвы. В пособии рассматриваются социальные, экономические и экологические проблемы, уделяется большое внимание практической и природоохранной деятельности. Данное пособие ориентировано на выпускника школы, которому предстоит в будущем реализовать себя как личность, овладеть качествами социально-информированного гражданина устойчивого развития. Г.А. Ягодин, профессор, академик РАО. 3 для воплощения идей Как работать с учебным материалами Уважаемые старшеклассники! Перед Вами учебное пособие «Экология Москвы и устойчивое развитие», созданное под научным руководством академика Г.А. Ягодина. Данное издание не просто познакомит вас с особенностями современной цивилизации, стратегией устойчивого развития, социально- экономическими и экологическими особенностями Москвы, а также поможет обобщить и систематизировать знания, полученные ранее на уроках биологии, экологии, географии, химии, физики, истории, литературы. Даст возможность умело применять полученные знания на практике в различных ситуациях. Главное, к чему стремились авторы – это научить вас самостоятельно учиться. В учебном пособии описаны разнообразные приёмы работы с новой информацией, овладев которыми вы сможете проявлять активность в познании окружающего мира, приобретать знания из различных источников, анализировать и обобщать, формулировать и аргументировать выводы, критически мыслить, применять полученные знания на практике. Кроме этого применительно к каждому материалу учебного пособия приведены графические организаторы учебного материала (таблицы, схемы, карты познания и др.), которые помогут Вам творчески переработать учебный материал, представить в упрощенном виде. Выполняя задания коллективно, в группе, паре вы овладеете навыками эффективного общения, сотрудничества, взаимодействия. Приведённые в пособии психологические игры и упражнения помогут вам умело адаптироваться в реальных условиях, выявлять возникающие проблемы, находить альтернативные варианты их решения, нести ответственность за результат собственных действий. Практические занятия по исследованию городской среды позволят вам получить информацию об экологическом состоянии окружающей среды города, приобрести навыки исследовательской деятельности, 4 научиться выявлять причины экологических нарушений, принимать решения по их устранению, содействовать улучшению местной экологической обстановки. Прежде чем перейти к изучению нового материала, выполните задания, приведённые в рубрике «Это вы знаете». Затем ознакомьтесь с новым материалом, как указано в рубрике «Как работать с параграфом, текстом или документом». При этом обратите внимание на дополнительную информацию: «Это вас может заинтересовать», «Великие имена», «Зачем нужны экологические знания», а также на справочную информацию. В пособии содержатся как основные, так и дополнительные тексты к параграфу. Кроме рекомендаций по изучению теоретического материала в учебном пособии детально описаны методики выполнения практических работ и игр. Изучив новый материал, перейдите к рубрикам «Подумайте и ответьте», а также «Проверьте свои знания», «Применяем получение знания», выполните творческие задания. В конце урока проведите оценку работы согласно критериям, помещённым в заключении каждого параграфа, практической работы или игровых упражнений. После каждого раздела в рубрике «Подведём итоги» приводится краткое содержание изученного материала. 5 ВВЕДЕНИЕ «Человечество находится на пороге глубочайшей перестройки всех основ современной цивилизации… Она коснётся всех стран и будет сопровождаться сменой ценностных шкал, привычных условий жизни и общественного устройства» Н.Н. Моисеев, академик (1917–2000) Современное общество существует в мире сложных социальных, экономических и экологических проблем. Наиболее остро эти проблемы выражены в крупных городах. Сейчас человечество пришло к осознанию необходимости изменения отношения к природе и взаимоотношений людей между собой. Причина этого заключается в том, что антропогенная нагрузка на биосферу стремительно возрастает. Люди во всех странах мира оказываются всё более зависимыми друг от друга. У них возникает больше общих интересов, главный из которых – сохранить на Земле человечество. Термин «экология» введён немецким исследователем Эрнстом Геккелем в 1866 году для обозначения раздела биологической науки, описывающего взаимодействие организмов, связанных друг с другом и средой общего обитания. Слово происходит от греческих слов «oikos» — дом и «logos» — наука. Длительное время данная наука развивалась в двух направлениях: применительно к месту обитания (например, экология болота, экология леса) или к объекту обитания (экология зайца-беляка, экология дрофы). 6 Великие имена Геккель Эрнст Генрих (1834–1919) – немецкий естествоиспытатель и философ. Сильнейшее воздействие на Геккеля оказали эволюционные идеи Чарльза Дарвина. Геккель разработал теорию происхождения многоклеточных животных, сформулировал биогенетический закон, согласно которому в индивидуальном развитии организма как бы воспроизводятся основные этапы его эволюции, построил первое генеалогическое древо животного царства. В 1866 г. Геккель предложил термин «экология», ввёл его в научный оборот. Традиционно экология понимается как наука о взаимоотношениях организмов, популяций, сообществ между собой и с окружающей средой. Уровни организации живой природы, которые изучает экология: организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биосферный. Справочная информация Организм − это особь, индивидуум, носитель жизни, повторяющий себя в будущих поколениях благодаря наследственным признакам в генетическом коде. Популяция (от франц. population) − совокупность скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. особей одного вида, свободно Сообщество (биоценоз от греч. bios – жизнь и koinos – совместно, вместе) − совокупность популяций различных видов растений, животных и микроорганизмов, населяющих определённую территорию. Фундаментальная экология по уровням организации жизни на Земле может быть разделена на четыре раздела: экологию организмов, изучающую взаимоотношения организмов с окружающей средой, популяционную экологию, изучающую экологические закономерности группы особей одного вида – популяции (табл. 1). Существует также экология сообществ – она изучает организацию и функционирование природных сообществ (биоценозов). Наконец, биосферная экология изучает функционирование и развитие экосистем Земли. 7 Таблица 1. Структура экологии Основн ые разделы экологии Фундамента ль-ная экология Социаль ная экология Законы Законы Предмет функционирования взаимодействия исследования и взаимодействия человека (изучения) живой и неживой (общества) природы и природы Рационально е природопользование и охрана природы Действия поведение человека, законодательные нормативные акты При развитии популяционной экологии и экологии сообществ стало очевидно, что фундаментальные законы этой науки непосредственно влияют на общество. В связи с этим возникла новая область – социальная экология, изучающая законы взаимодействия общества и природы. Теоретическая разработка основных законов экологии послужила основой для развития прикладных разделов – охраны природы и рационального природопользования. Большинство разделов современной экологии тесно переплетены с различными научными дисциплинами: биологией, химией, географией, физикой, математикой, социологией и многими другими. В последние десятилетия содержание термина «экология» обрело социально-политический и философский смысл. Экология при этом рассматривается не только как самостоятельная дисциплина, а как мировоззрение, пронизывающее все науки, технологические процессы и сферы деятельности людей. По мере осознания роли живого вещества (совокупности всех живых организмов, по В.И. Вернадскому) в круговороте веществ в природе, сформировалось понятие биосферы. Биосфера — это общепланетарная оболочка, та область Земли, где существует или существовала жизнь. Биосфера охватывает всю поверхность суши, моря и океаны, а также ту часть недр Земли, где 8 и и находятся породы, созданные деятельностью живых организмов. Если представить планету Земля уменьшенной до размеров яблока, то биосфера будет не толще его кожуры. Великие имена Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) – выдающийся русский учёный, основоположник геохимии. Автор трудов по философии, естествознанию, науковедению. Создал учение о биосфере и её эволюции, о мощном воздействии человека на окружающую среду и преобразовании современной биосферы в ноосферу. С развитием цивилизации человек превратился в мощную силу, преобразующую мир. Количество изъятий из природы исходных продуктов, необходимых для удовлетворения потребностей человека, превысило их восполняемость, обеспеченную круговоротом веществ. Это относится к пресной воде, плодородной почве, лесам, полезным ископаемым и т.д. Из-за несовершенства современных технологий количество неиспользованной части природных ресурсов превышает 90 процентов. С другой стороны, количество неиспользуемой части сырья (отходов превысило пределы поглощения их природной средой. Человеческая деятельность разомкнув изменила многие из природные них, что циклы привело круговорота к вещества, нарушению систем жизнеобеспечения на Земле. Это обусловило загрязнение воздуха, почвы, ухудшение качества питьевой воды и как следствие – изменение климата и развитие различных заболеваний человека. 9 Это может вас заинтересовать Экология как наука базируется на понятиях, которые являются своеобразным ключом для понимания законов устойчивости живой природы, наличия тесной взаимосвязи организмов друг с другом и средой обитания. Приведенные ниже ключевые экологические понятия могут быть объединены по определенным признакам в следующие группы. Первую группу составляют основные объекты изучения современной экологии, т.е. биологические системы различных уровней: организмы, популяции, биоценозы, экосистемы и биосфера. Вторую группу составляют понятия, характеризующие среду обитания живых организмов, биологическое разнообразие и факторы, направленные на его поддержание, типы питания и разнообразие взаимоотношений живых организмов, благодаря которым поддерживается равновесие в природе и круговорот веществ. По существу, наша планета Земля представляет собой совершенный космический корабль, перемещающийся с большой скоростью и по сложной траектории. Человек на этом корабле не столько капитан, сколько команда обслуживания. Он не может изменить курс и маршрут движения. Но от целей и линии поведения его команды зависит собственная её жизнь и, вероятно, самое ценное, созданное миллиардами лет эволюции – живое вещество, совокупность всех живых организмов. Это может Вас заинтересовать Астрономам НАСА удалось найти самый близкий аналог нашей планеты. Это Кеплер 22-б, небесное тело, вращающееся вокруг звезды Кеплер 22 и теоретически имеющее запасы воды. Это может подразумевать, что эта планета является обитаемой. Радиус экзопланеты в 2,4 раза больше земного, а расположена она на расстоянии 600 световых лет от нас. Поэтому даже если на планете есть разумные живые существа, выйти на контакт с ними, а тем более навестить их мы не сможем. Если мы отправим сигнал на эту планету, и он будет принят и расшифрован, ответное сообщение мы сможем получить лишь спустя 1200. Рис.1. Небесное тело Кеплер 22-6. 10 Рис. 2. Вид Земли из космоса. Это может вас заинтересовать Юрий Гагарин, находясь на орбите Земли, говорил своим коллегам: «Внимание, вижу горизонт Земли: очень красивый ореол. Вначале идёт радуга от самой поверхности Земли. Наблюдаю в правый иллюминатор, как проходят звезды. Какая же наша планета маленькая и хрупкая…» (из стенограммы переговоров Ю. Гагарина со станцией «Заря-1» на Земле). Дополнительный текст «История экологии в терминах» Как работать с текстом 1. Прочитайте текст «История экологии в терминах». 2. Выпишите в тетрадь непонятные слова. Подумайте, что они обозначают? 3. Найдите их определение в словаре и запишите в тетради. 11 Экология – одна из самых актуальных наук современности. С нею связывают надежды на выживание человечества в усложняющемся мире и на возможности нового витка развития. Слово «экология» очень популярно сейчас и в бытовом общении, и в средствах массовой информации, и в речах политиков. Однако далеко не все представляют себе его истинное значение. Чаще всего его используют в смысле «состояние окружающей среды» и относят исключительно к человеку, его здоровью и условиям жизни. На самом деле экология – это сложная наука с множеством разделов, в центре внимания которой – законы устойчивости живой природы, связи организмов друг с другом и средой обитания, позволяющие выживать, развиваться и противостоять изменениям условий. Как и любая другая наука, экология имеет свою историю. К середине XIX века были сформулированы первые эмпирические правила и законы, отражавшие связь организмов со средой обитания – климатом и другими условиями. Э. Геккель указывал, что экология призвана изучать связи организмов друг с другом и физической средой обитания. Начальной основой экологии было внимание к образу жизни отдельных видов, их адаптациям, способности противостоять неблагоприятным факторам среды, возможности выжить и оставить потомство, их сходству и различиям по этим признакам. В современной науке этот раздел знаний получил название «аутэкологии» (буквально – «собственно экологии») и входит важной частью в состав других ее подразделений. Каждый вид по-своему связан со средой, отличаясь от других множеством мелких и крупных особенностей. Современная аутэкология расшифровала эти связи далеко не для всех ныне живущих видов, а лишь для очень небольшой их части. Эти сведения имеют не только неоценимое значение для теории, но и самое прямое отношение к человеческой практике. Успех выращивания культурных растений и сельскохозяйственных животных напрямую зависит от глубины наших 12 знаний об их экологических зависимостях. То же относится и к промысловым видам, а также используемым в медицинской практике и других сферах жизни человека. Современная деятельность человечества отрицательно сказывается на судьбе множества видов дикой природы. Важно знать степень их устойчивости к разным формам антропогенных воздействий, возможности выживания в новых условиях, планировать пути сохранения вымирающих форм. Видовое богатство органического мира – также неиссякаемый источник новых возможностей для хозяйственной практики. Можно эффективно использовать даже потенциал тех видов, с которыми человек обычно ведет непримиримую борьбу, если мы хорошо знаем их экологические особенности и можем управлять их размножением. Например, в России разработана технология разведения личинок комнатной мухи для эффективной и быстрой переработки отходов свиноводческих комплексов. От взрослых мух получают большое количество яиц и засевают ими навоз, помещенный на медленно двигающийся конвейер. Через пять дней личинки превращают антигигиенические отбросы в рассыпчатую гумусированную массу, стерилизованную наружными антибактерицидными выделениями – ценное органическое удобрение. Взрослых личинок перед окукливанием автоматически извлекают из субстрата и используют либо как живой корм на птицефермах, в рыбоводческих прудах и т.п., либо на белковую муку в животноводстве. Таким образом, аутэкология поставляет неоценимые материалы и для теоретической науки, и для практики. В XIX веке оформился и другой раздел экологии, в центре внимания которого находятся не отдельные особи и виды, а их сообщества. В 1877 г. немецкий гидробиолог Карл Мебиус, изучая условия жизни промысловых устриц в Северном море, ввел в науку понятие «биоценоз». Живая природа подразделена не только на отдельные организмы и виды, но и на 13 биоценозы, т.е. такие сожительства разных видов, которые повторяются в пространстве и типичны для определенных условий. Так, вместе с устрицами обитают совершенно определенные виды сидячих ракообразных, других моллюсков, червей, рыб, морских звезд и т.п. Мебиус подчеркивал, что сосуществующие вместе виды, с одной стороны, сходны по отношению к ведущим факторам среды (температура воды, глубина, соленость, грунты, течения и т.п.), а с другой – связаны друг с другом всевозможными отношениями (пищевыми, конкурентными, взаимовыгодными). Поэтому удаление из биоценоза какого-либо одного вида сказывается на численности и состоянии других. Учение о биоценозах перенесли и на наземную жизнь. Особенно подробно стали изучать закономерности сложения растительного покрова суши и вслед за этим – общие характеристики биоценозов: их видовой состав, структуру, связи между видами как главный механизм объединения их в сообщества, динамичность и устойчивость. Так сформировалась биоценология – самостоятельный раздел экологии. К нему относятся и специальные науки о растительном покрове – фитоценология и геоботаника. Современная биоценология также имеет не только теоретическое, но и глубочайшее практическое значение. Эксплуатируя природу, человек сильно преобразует естественные биоценозы, меняя условия их существования, изымая и уничтожая ряд видов или, наоборот, внедряя новые из других районов планеты. Поля, сады, пастбища и сенокосы, сеяные луга, лесопосадки, культуры закрытого грунта, городские парки и скверы – это искусственно создаваемые биоценозы, в которых, тем не менее, продолжают действовать естественные законы. Их незнание, неумение использовать резко снижает устойчивость и продуктивность этих сообществ. Например, химическая борьба с вредителями, в массе размножающимися на полях и в садах, часто приводит к прямо противоположным результатам: через некоторое время они дают новый, еще более высокий всплеск численности, а применяемые в еще большем 14 количестве яды загрязняют среду и производимые продукты питания. Вместе с тем есть уже много примеров успешного использования вместо ядов естественных врагов вредителей. Чем больше мы знаем о связях в биоценозах, тем больше возможностей управлять ими. Еще один раздел экологии оформился в первой трети ХХ века. Речь идет об экологии популяций, т. е. территориальных подразделений вида. Английский эколог Ч. Элтон обратил внимание на периодические взрывы численности и нашествия чужеродных видов. Популяционная экология изучает закономерности, лежащие в основе размножения и динамики численности популяций в разных условиях среды, способов освоения нового пространства. Обнаружено, что в популяциях могут действовать механизмы, снимающие угрозу перенаселения, очень различные у разных видов. При исследовании популяций особенно наглядно выявилась значимость информационных связей в живой природе. Для понимания популяционных законов много дала также развивающаяся со второй половины ХХ века наука о поведении животных – этология, открывшая удивительно сложный мир отношений между особями в пределах вида. Экология популяций – это не только руководство к действию при охране редких и исчезающих видов, борьбы с вредителями и распространителями болезней, поддержания оптимальной численности промысловых объектов. Общие популяционные законы касаются и человеческого общества. Одно из основных отличий человека от представителей животного царства – сложнейшие социальные связи, пронизывающие общество. Именно через социальные связи человечества при осознании экологических законов можно находить разумные пути планирования и контроля численности населения. 15 Справочная информация Экосистема (от греч. oikos – жилище и systema – объединение) совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может поддерживаться круговорот вещества. Основные компоненты экосистемы: продуценты, консументы, редуценты и запас биогенных веществ. К середине прошлого века экология сделала еще один виток в развитии своей проблематики. В ней появился новый раздел, посвященный изучению экосистем. Термин «экосистема» ввел в науку в 1935 г. английский геоботаник А. Тенсли для обозначения единства биоценозов и их физического окружения, откуда в конечном счете живые организмы получают вещество и энергию. Близкое понятие – биогеоценоз – выдвинул в 1940 г. академик В. Н. Сукачев. Развитие экосистемных исследований по-настоящему началось, после того как были разработаны принципы количественного учета потоков энергии и веществ через сообщества. В экосистемной экологии особое внимание уделяется оценкам биологической продукции, т. е. органического вещества, синтезируемого в сообществах из неорганического за определенное время. Именно биологическая продукция экосистем поддерживает на Земле жизнь всех царств природы и человечества в целом. Не менее важна и скорость круговорота веществ, вовлекаемых в процессы синтеза и разложения. Экосистема леса 16 Экосистема луга Экосистема болота Экосистема реки Рис.3. Различные типы экосистем Справочная информация Продуценты (от лат. producens – производящий, создающий) – создатели органического вещества из неорганических на основе фотосинтеза (обычно это зеленые растения). Консументы (от лат. consumo – потребляю) – потребители органического вещества. В роли консументов выступают животные: растительноядные и плотоядные. Редуценты (от лат. reducentis – возвращающий, восстанавливающий) – разрушители органических соединений до минеральных (в основном это грибы и бактерии). Эти исследования позволили оценить восстановительные возможности живой природы после ее нарушений, дали в руки ключ к 17 управлению процессами развития сообществ. Экосистемы Земли, крупные и мелкие, связаны между собой вещественно-энергетическими потоками в единое глобальное образование – биосферу. Таким образом, примерно за полтора столетия экология постепенно охватила все основные уровни организации жизни: организмы – виды с их популяциями – биоценозы – экосистемы, включая биосферу как самую большую экосистему планеты. Жизнь на Земле сложно структурирована. Она проявляется только в организмах (простейшие из них – одноклеточные, а сложнейшие состоят из миллиардов клеток). Но каждый организм, простой или сложный, является представителем популяции какого-либо вида, существует только в сообществах, которые входят в состав какой-либо экосистемы, поддерживают биологический круговорот веществ и извлекают потоки энергии из окружающей среды. Биосфера функционирует по законам огромной сложной экосистемы. В.И. Вернадский, развивший учение о биосфере, где жизнь является самой активной и действенной силой, преобразующей верхние слои планеты, обсуждал также понятие «ноосферы» – сфера разума. Он предвидел, что вскоре эволюция жизни на Земле будет практически целиком зависеть от деятельности человека, и оптимистично считал, что мощный поток коллективного разума справится с этой задачей. При развитии популяционной и особенно экосистемной экологии стало ясно, что фундаментальным законам этой науки подчиняется и человеческое общество. Об этом свидетельствует формирующаяся на наших глазах новая область знаний – социальная экология. Современное развитие экологии, с одной стороны, дает ключ к решению многих проблем, связанных с состоянием живой природы, а с другой стороны, показывает, насколько сложны, дороги и трудоемки зачастую пути их реализации. Главная сложность – единение усилий всего человечества, раздробленного на государства, разные слои общества, бедных и богатых, образованных и необразованных. В этих условиях 18 общее и непрерывное экологическое образование и просвещение – абсолютная необходимость современности. Экологические законы пронизывают всю нашу хозяйственную деятельность, и бытовую, и производственную: в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, лесоводстве, медицине, добыче полезных ископаемых, получении энергии и т.п. Экологические знания – источник разработки новых технологий, сберегающих ресурсы и биоразнообразие на планете. Следует лишь помнить, что жизнь природы, поддерживающая нашу жизнь на Земле, – самое главное, что должно быть в центре внимания хозяйствования человека в биосфере. Проверьте свои знания 1.Что обозначают следующие термины: биоразнообразие, ноосфера, круговорот веществ, организм, популяция, биоценоз, экосистема? 2.Что изучает экология и какие разделы экологии Вы знаете? 3. Как Вы думаете, с чем связано интенсивное развитие экологии в настоящее время? Подумайте и ответьте 1. Ознакомьтесь с веером ключевых экологических понятий. 2. Пользуясь справочной информацией и словарём, дайте им определения и запишите в тетрадь. 3. Почему эти понятия названы ключевыми? 19 Оцените свою работу на уроке Я работал (а) хорошо: внимательно читал(а) текст; отвечала на вопросы; коллективно с классом осмысляла ключевые экологические понятия. Я работал(а) не достаточно активно. Что мешало продуктивной работе? Какие возникли трудности при изучении материала? ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ §1. Солнечная система и планета Земля во Вселенной Это Вы знаете Опираясь на знания, полученные в школе и свой личный опыт, дайте ответы на приведенные ниже вопросы. 1.Как называется наша Галактика? 2. Какие Вам известны гипотезы о происхождении Галактики? 3.Сколько планет входит с состав 20 Солнечной системы? Назовите их. 4.Какие элементы входят в состав Солнца? 5.Какие реакции происходят на Солнце? 6.Что такое дефект масс? 7.Какие газы составляют атмосферу Земли? 8.Каковы причины появления кислорода в атмосфере Земли? Как работать с параграфом 1.Ознакомьтесь с текстом параграфа. 2. В процессе чтения найдите в тексте ответы на поставленные вопросы. Окружающий нас мир огромен. Он возник как Метагалактика примерно 15 млрд. лет назад. Большинство ученых полагают, что это произошло в результате «Большого взрыва» вещества невообразимо высокой плотности, сосредоточенной в некотором минимальном объеме. Наиболее распространенным химическим элементом в метагалактике после взрыва стал водород (77%), затем гелий (21%), доля всех других элементов составляла 2%. Метагалактика включает в себя звездные системы Галактики. Их число огромно – несколько миллиардов. В свою очередь, в каждой галактике находится более 100 миллиардов звезд. Галактики не неподвижны, они движутся по сложным орбитам. Галактики (по-гречески galactikos – молочный, млечный) получили свое название из-за того, что наблюдатель с Земли видит нашу Галактику в виде Млечного Пути в пространстве. Одно из первых его описаний было дано Птолемеем Александрийским примерно в 150 году н.э.: «Млечный Путь это не круг, а зона, которая повсеместно бела, что и дало ей имя, которое она носит». Диаметр нашей галактики составляет около 100 тысяч световых лет. Световой год – это расстояние, которое проходит световой 21 поток в вакууме за 1 земной год. Галактика представляет собой спиральную структуру с плоским диском в центре, толщина которого составляет 12000 световых лет. Масса галактики равна 2,5.1011 солнечных масс, в ее составе более 100 млрд. звезд. Это может Вас заинтересовать Перемещаясь в космическом пространстве, Земля совершает четыре вида движения. Она вращается вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики. Один такой оборот, называемый галактическим годом, наша планета вместе с Солнечной системой совершает за 280 млн лет. Влияние этого движения на процессы, происходящие на Земле, пока не изучено. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью приблизительно 30 км/с по орбите, имеющей форму эллипса, на среднем расстоянии от светила 150 млн. км. Если представить невероятное, что Солнце вдруг перестанет притягивать Землю, то наша планета умчится в космос со скоростью 30 км/с. Один оборот вокруг Солнца планета совершает за 365, 24 суток. Это время называется звёздным годом. Земная ось постоянно наклонена к плоскости орбиты, по которой происходит движение планеты, под углом 66°33'22". Ось не меняет своего положения при движении Земли, поэтому в течение года разные участки земной поверхности получают неодинаковое количество света и тепла. Наклон земной оси и обращение Земли вокруг Солнца являются причиной смены времён года. Земля вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот за 23 часа 56 минут и 4,1 секунды — звёздные сутки. Благодаря этому движению на планете происходит смена дня и ночи. Вместе со своим естественным спутником — Луной, масса которой соизмерима с массой нашей планеты, Земля вращается вокруг общего с Луной центра масс, совершая один оборот за 27 суток и 8 часов. Земля и Луна считаются двойной планетой. С июня по август Земля находится в таком положении относительно Солнца, что Северное полушарие освещается больше и получает большее количество тепла. В это время земная ось наклонена северным концом к Солнцу и в Северном полушарии лето. 22 июня — в день летнего солнцестояния — Солнце стоит в зените над Северным тропиком. В Южном полушарии с июня по август — зима, потому что южный конец земной оси отклонён от Солнца. Южное полушарие как будто отвернулось от светила и поэтому получает меньше тепла и света. В Млечный путь входит Солнечная система. Она включает в себя Солнце – звезду, масса которой в 109 раз больше массы Земли. От Солнца до центра Галактики около 30 тысяч световых лет. Период обращения Солнца вокруг центра галактики около 250 миллионов лет. Солнечная система – это 9 планет, 40 тысяч астероидов, вращающихся по различным орбитам вокруг Солнца. Солнечная система образовалась много позднее метагалактики, всего 4,5–5 млрд. лет назад. Расстояние от Солнца до самой далекой планеты Плутона около 6 млрд. километров. 99,86% всей массы Солнечной системы сосредоточено в 22 самом Солнце. Солнце представляет собой раскаленный плазменный шар. Его температура на видимой поверхности колеблется между 5000 и 6000 0 С, а температура ядра, где идут ядерные реакции и вырабатывается солнечная энергия, достигает 15 000 000 0С. По химическому составу Солнце состоит из 90% водорода, 10% гелия. В результате термоядерных реакций синтеза гелия из водорода, Солнце уменьшается по массе со скоростью 1011-1012 г/сек (106 т/сек). Этот процесс носит название «дефект массы». Потеря составляет 10-14-10-15 массы Солнца в год. Таким образом, за 4,5 млрд. лет существования солнечной системы, масса Солнца уменьшилась на 0,0001%. Земля – третья планета по удалению от Солнца. Для удобства принято считать ее массу в Солнечной системе равной 1, а массы остальных небесных тел солнечной системы рассчитывать по сравнению с ней. Средняя температура поверхности Земли +12 ◦ С, атмосферное давление 1 атм., ускорение свободного падения на экваторе 981 см/сек2, среднее расстояние до Солнца 1 астрономическая единица (149,6 млн. км), радиус 6,96 108 м. Поверхность Земли более чем на 2/3 покрыта океаном (70,8%), средняя высота суши – 875 м над уровнем моря, средняя глубина океана – 3800 метров. Самое высокое место нашей планеты – гора Джомолунгма (Эверест), ее высота составляет 8848 м, самое глубокое место в океане – Мариинская впадина, чья глубина – 11022 м. В атмосфере Земли по объемному содержанию приблизительно 78% азота, 21% кислорода, а на оставшийся 1% приходятся углекислый газ, метан, инертные и иные газы. эволюции на Земле. Кислород миллиарда лет назад Этот состав установился в процессе появился в составе атмосферы 2-2,5 в результате фотосинтеза, осуществляемого различными видами растительных организмов, имеющими в своем составе хлорофилл. 23 В центре Земли на глубине 6378 км находится жесткое ядро, состоящее из железо-никелиевого сплава. Ученые полагают, что оно покрыто оболочкой жидкого оксида железа Fe2О, толщиной около 1200 км. Затем следует переходный слой и мантия, простирающаяся от 2900 до 900 км от поверхности Земли, и земная кора, состоящая до 70 км от поверхности из базальтового слоя, до 40 км – из гранитного слоя и далее до 20 км осадочного слоя. Творческая страница 1. Пользуясь различными источниками информации, найдите художественные, литературные, музыкальные произведения, посвященные Земле как планете. 2. Найдите определение «антропного принципа» в науке. Вспомните, какие физические условия считаются необходимыми для появления жизни на Земле. Напишите краткое сочинение-размышление на тему «Почему на Земле оказалось возможным зарождение жизни и появление человека?» На сегодня известно, что планета Земля – единственная, где существует жизнь – крохотная песчинка в нашей Галактике, которая, в свою очередь, исключительно мала в Метагалактике. Тем не менее, именно на Земле существует биологический вид – человек, который оказался способным изучать ее строение и узнавать тайны Вселенной. В связи с этим в ученые разработали и предложили антропный принцип: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни. Принцип гласит, что Вселенная бесконечно эволюционирует, и в ходе эволюции ее физические константы меняются, принимая всевозможные значения. При благоприятном сочетании констант возникает разумный наблюдатель. Формулировка антропного принципа опирается на предположение, что наблюдаемые в наше время законы природы не являются единственными реально существующими (или существовавшими), то есть должны быть реальны Вселенные с иными законами. Физики исследовали несколько вариантов размещения в пространстве и времени альтернативных Вселенных. 24 Подумайте и ответьте 1. Уточните ответы на поставленные вопросы. 2. Ответы на какие вопросы вызвали у Вас затруднения? Почему? 3. Встретились ли Вам в тексте непонятные слава? Если да, то уточните их значение в словаре или других источниках информации. 4. Почему именно на Земле, являющейся крошечной песчинкой во Вселенной возникла жизнь? Оцените свою работу на уроке Я работал(а) хорошо, внимательно читал(а), правильно ответил(а) на вопросы. Я был(а) недостаточно активен(на), испытывал(а) трудности при ответе на вопросы. Меня заинтересовал(а) информация, приведенная в тексте параграфа, и я хочу узнать больше по данной теме. Что мы знаем о Земле Дополнительный текст к §1 «Солнечная система и планета Земля во Вселенной» Это Вы знаете Ученые часто называют нашу планету «живой». Почему Земля является «живой»? Напишите на эту тему краткое эссе. 25 Как работать с текстом 1. Почитайте текст. 2. В процессе чтения: V обозначьте информацию, которая Вам была известна; + что Вы узнали нового; ? информацию, с которой Вы не согласны, требующую уточнения в других источниках информации. ! интересную информацию. Если сравнить Землю с другими планетами Солнечной системы, то она является крошечной планетой рядом с Юпитером или Сатурном. Рис.4. Сравнительные размеры Солнца и планет Солнечной системы Но одновременно Земля – планета древняя. Настолько, что трудно осознать в рамках обыденных представлений. Если принять историю Земли за год, то Земля образовалась 1 января, 12 декабря – время расцвета динозавров. И только 31 декабря появляется общий предок обезьяны и человека. В научно-популярном фильме «Как была рождена Земля» приводилось другое сравнение. Если мы примем величину песчинки за 26 год, то размер пальца соответствует продолжительности человеческой жизни, длина руки до локтя – началу освоения Северной Америки европейцами, а длина экватора – возрасту Земли. Это может Вас заинтересовать Почему бывает високосный год? Земля делает один оборот вокруг солнца за 365 суток и 6 часов. Считают, что в обычном году 365 суток, а оставшиеся 6 часов каждый го складывают. Так через четыре года накапливается 24 часа – сутки, которые прибавляют к текущему году. Он содержит 366 суток и называется високосным. Геолог – автор популярного издания «Великие геологические открытия» С. И. Романовский сравнивал геологию с наблюдением за часовой стрелкой часов – даже если смотреть на неё несколько часов, проследить её перемещение по циферблату человек не в силах. Зато учёный может использовать другие, более подходящие «часы». Любопытно, что Земля «стала» древней планетой меньше века назад. Только в 1913 году Артур Холмс, британский геолог, опубликовал книгу «Возраст Земли». Он предложил использовать для датировки горных пород уран-свинцовый метод – по соотношению между ураном (распадающимся до свинца) и свинцом в породе, как песку в песочных часах. С этого момента стали говорить о возрасте Земли в миллиардах, а не в миллионах лет. К настоящему времени в Австралии найдены кристаллы циркона с возрастом порядка 4,4 млрд. лет. Эти кристаллы также показывают, что уже в то время на Земле существовала водная оболочка. 27 Рис. 5. Район Джек-Хиллз в Австралии, где были найдены древнейшие кристаллы циркона. В августе 2010 года сообщалось о находке образцов реликтовой мантии в канадской Арктике – на Баффиновой Земле, а также в Западной Гренландии. Если можно так выразиться, Земля никуда не торопится – слой отложений на дне океанического желоба, образуемый за год, по толщине равен слою пыли, накапливаемому в зимней квартире за неделю. Но через 45 млн. лет накопится толща глин толщиной 45 м. Фиксируя сейсмические толчки, используя системы спутниковой навигации и компьютерного анализа (позволяющие быстро обрабатывать большие массивы информации), ученые установили, что земная кора находится в постоянном движении. Многие миллионы лет назад участки земной коры были в совершенно других местах, чем мы привыкли их видеть. В 1950-х гг. английский физик Патрик Блэкетт и геофизик Кейт Ранкорн независимо друг от друга изучали остаточную намагниченность различных пород во многих уголках Земли - в Англии, Индии, Исландии, Африке, США, Антарктиде. Дело в том, что при формировании некоторых горных пород содержащиеся в них ферромагнитные частицы ориентируются по направлению магнитного поля Земли, сохраняя направление на магнитный полюс. Многократные измерения показали, что направление на магнитный полюс в древних породах не совпадает с 28 современным, и чем древнее породы, тем расхождение больше. Конечно, магнитные полюса могли бы менять свое положение, но для разных регионов их картина не получалась единой – все одновозрастные породы с одного континента указывали на один и тот же полюс, но образцы с разных континентов давали и разные положения полюсов. В таком случае, перемещались сами породы, т. е. континенты? Изобретение эхолота позволило создать единую карту земной поверхности, были обнаружены рифты – разломы земной коры. Бурение скважин на океаническом дне показало, что породы океанической земной коры сравнительно молоды – не старше юрских (180 млн. лет). Американские геофизик Гарри Хесс и геолог Роберт Дитц в 1961-62 гг. предложили теорию спрединга – раздвигания океанического дна под воздействием восходящих потоков из мантии, заложив основы теории литосферных плит. Еще в начале XX века немецкий метеоролог Альфред Вегенер выступил с докладом о дрейфе материков, опираясь на совпадение очертаний западного побережья Африки и восточного Южной Америки. Но Вегенер, предполагая, что континенты «плавают» по базальтовому слою океанического дна, не мог предложить источника сил, необходимых для перемещения. Таким образом, к концу 1960-х гг. выяснилось, что Земля действительно «живая»: участки ее поверхности неощутимо для человека (а иногда и ощутимо – при землетрясениях), но постоянно перемещаются, причем в трех плоскостях, в одних местах возникает новая земная кора, в других – старейшие участки подвигаются вглубь. После бурных научных споров новая концепция была принята. Так, казалось бы, сугубо теоретические исследования помогают найти ответы на актуальные вопросы защиты от землетрясений. 29 С помощью биомаркеров (остатков органических молекул) и изотопов ученые могут проследить и историю развития жизни на Земле. Обнаружив биомаркеры в горной породе, можно установить, кому именно они принадлежали. Живые существа с пищей накапливают в тканях устойчивые изотопы, меняя их среднее соотношение в земной коре. Например, по изменению легких и тяжелых изотопов углерода в древнейших залежах графита можно установить наличие фотосинтезирующих бактерий. На западе Австралии были обнаружены строматолиты – остатки колоний микроорганизмов, возрастом 3,45 млрд. лет. Рис.6. Древнейшие строматолиты. Восточная Пилбара, Западная Австралия Тогда на цианобактерий дне мелких (способных к водоёмов формировались фотосинтезу) сообщества и нефотосинтезирующих бактерий, постепенно образуя отложения карбонатов, новые слои земной коры. Кроме того, выделяя при фотосинтезе кислород, бактерии изменили и состав атмосферы. Окисляя при помощи кислорода железо, бактерии формировали многие месторождения железных руд, используемые теперь человечеством. Повышение содержания кислорода вызвало образование озонового слоя, позволившего жизни выйти на сушу. Фактически, с древнейших времен жизнь оказывает определяющее влияние на развитие воздушной, жидкой и твёрдой оболочек Земли. И теперь уже от нас зависит, каким будет будущее Земли и жизни на ней. 30 Подумайте и ответьте 1.Какая информация оказалась для Вас знакомой? Новой? 2.Что показалось наиболее интересным и какую информацию Вы хотели ли бы уточнить? Проверьте свои знания 1.Каков возраст Земли? 2.Какие исследования доказывают, что Земля является древней планетой? 3. Почему нашу планету называют «живой» Землёй? Найдите обоснование в тексте. Оцените свою работу на уроке Я удовлетворен(а) своей работой а уроке (ознакомился(ась) с текстом, ответил(а) на все вопросы, помогал(а) другим ученикам). Я не удовлетворена своей работой на уроке (мне не удалось ответить на большинство вопросов, при работе мне требовалась помощь учителя или других учеников). В своей работе мне необходимо улучшить: повторить пройденный материал; улучшить умения самостоятельной работы. §2. От возникновения жизни к появлению человека Как работать с параграфом • 1. Ознакомьтесь с текстом «От происхождения 31 жизни до человека». • 2. Опираясь на знания, полученные в школе, дайте определения слов, выделенных курсивом в тексте. Если значения каких-либо слов вызывают у Вас трудности, обратитесь к школьным учебникам по химии, биологии, географии или к другим источникам информации. • 3.Какие гипотезы о происхождении жизни на Земле описаны в тексте? В чем их сущность? Одной их нераскрытых тайн прошлого является возникновение жизни на Земле. Само определение жизни, столь очевидное, поскольку на наших глазах жизнь проявляется многогранно, не так просто. Жизнь — это форма существования организмов, возможная только в открытых системах, подпитываемых из внешнего источника энергией. Живые организмы характеризуются тем, что они в состоянии обмениваться постоянно или хотя бы периодически друг с другом и средой своего обитания энергией, веществом и информацией. Все организмы, известные нам, построены на базе химических соединений, имеющих в своем составе углерод, кислород, водород, азот, фосфор и серу. Они состоят из клеток. Наследственная информация записана единым кодом в виде совокупности нуклеиновых кислот, расположенных в определенном порядке в геноме. Любая форма живого вещества является неизмеримо более сложной системой по сравнению с любой формой косной (неживой) материи на нашей планете. Чтобы возникла и могла поддерживать свои функции такая сложная структура, необходим приток энергии. Энергия — неотъемлемое свойство движения материи. Это способность тела, вещества, системы или любых других форм материи производить работу или теплообмен между объектами с различной температурой. В соответствии со вторым законом 32 термодинамики в любой системе происходит выравнивание энергии, то есть все упорядоченные структуры стремятся перейти к состоянию беспорядка, хаоса. Большинство законов, изучаемых в школе, относится к описанию замкнутых систем. В замкнутой системе ни возникновение жизни, ни ее поддержание принципиально невозможно. Это может происходить в так называемых открытых системах, где степень упорядоченности в одном месте происходит за счет увеличения беспорядков в другом. Жизнь возможна только в открытой системе. Альберт Эйнштейн в 1946 году указывал, что жизни присущ один элемент отличный от элементов физики, но не мистический – элемент истории. Ответить на вопрос о сущности бытия нельзя без ответа на вопрос о происхождении жизни. Постараемся осмыслить проблему и понять, на каком уровне научного исследования находится решение проблемы происхождения жизни. Великие имена Альберт Эйнштейн (1879—1955) — физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист. Жил в Германии (1879—1893, 1914—1933), Швейцарии (1893—1914) и США (1933—1955). Почётный доктор около 20 ведущих университетов мира, член многих Академий наук, в том числе иностранный почётный член АН СССР (1926). 33 Древнегреческий философ Платон является автором произведения «О соотношении форм живого». Он писал: «Первым сотворен человек. У человека 3 души – одна бессмертная и две смертных. Одна из смертных душ – мужская (мощная и энергичная), вторая – женская (слабая и податливая). Эволюция совершается путем деградации этих душ. Животные – это те формы, в которых существуют люди, будучи наказанными. Души людей переселяются в животных, смертная часть души при втором рождении превращается в четвероногих. Те, кто по тупоумию превосходит четвероногих – становятся пресмыкающими, те, которые были просто легкомысленными – в птиц, тот, кто был невежественен и бестолков – в водных животных. «Быть может тот облезлый кот был раньше негодяем…». Философ Древней Греции Анаксагор писал: «первоначально организмы образовывались из соединения семян, увлажненных каплями дождя, с семенами, находившимися в земле. Во влаге возникли зародыши, из которых развивались живые существа, обретшие в дальнейшем свойство рождаться друг от друга». Философ Древней Греции Эмпедокл указывал: «сначала частицы 4 элементов (огонь, вода, воздух, земля) соединились, образовав органы и 34 части тела животных, которые существовали самостоятельно». Затем из отдельных частей и органов возникли уродливые, неполноценные существа, нежизнеспособные, так как у них не было всех необходимых органов, и далее в результате случайных сочетаний возникли полноценные, способные к размножению организмы. В зависимости от того, какие элементы преобладали в теле животного, они выбрали соответствующую среду – водную, воздушную, наземную. Философ Демокрит отмечал, что живые существа произошли в тот период развития мира, когда земля, насыщенная влагой вся состояла из мягкого ила. Под действием солнечного жара в отдельных местах, где скапливалась влага, возникало гниение, давшее начало образованию пузырей (оболочек), внутри которых зародились первые животные. В зависимости от различия атомов, образовавших тела живых существ, некоторые животные стали летать в воздухе, другие – плавать, третьи – жить на суше. Великие имена Древнегреческие философы Платон (428 или 427 до н. э. — 348 или 347 до н. э.) — древнегреческий философ, ученик Сократа, учитель Аристотеля. Платон является одним из основателей идеалистического направления в мировой философии. Во многих сочинениях философа проводится мысль о том, что бытием в подлинном смысле слова можно назвать только абсолютные сущности, сохраняющие своё бытие безотносительно пространства и времени. Такие абсолютные сущности называются в сочинениях Платона идеями. 35 Анаксагор (ок. 500 до н. э. — 428 до н. э.) — древнегреческий философ, математик и астроном, основоположник афинской философской школы. Анаксагор учил о вечных элементах мира, «семенах» (или «гомеомериях»), которые включают в себя всю полноту мировых качеств и управляются космическим Умом. Стараясь объяснять естественными причинами такие явления, как солнечное и лунное затмение, землетрясения и. т. п., он навлёк на себя обвинение в оскорблении богов. Для объяснения бесконечного разнообразия видимых явлений, он принимал не одну первичную стихию, вроде воды, воздуха или огня, а бесчисленное множество бесконечно малых первичных материальных частичек, гомеомерий (однородных частичек). Эмпедокл (ок. 490 до н. э. — ок. 430 до н. э.) — древнегреческий философ, врач, государственный деятель, жрец. Основу учения Эмпедокла составляет концепция о четырёх стихиях, которые образуют «корни» вещей, так называемое «архе». Этими корнями являются огонь, воздух, вода и земля/ Они заполняют всё пространство и находятся в постоянном движении, перемещаясь, смешиваясь и разъединяясь. Они неизменны и вечны. Все вещи как бы складываются из этих стихий, «вроде того, как стена сложена из кирпичей и камней». Эмпедокл отвергает мысль о рождении и смерти вещей. Последние образуются посредством смешения и соединения стихий в определенных пропорциях. Так, кость состоит из двух частей воды, двух частей земли и четырёх частей огня. 36 Демокрит (ок. 460 до н. э. — ок. 370 до н. э.) — древнегреческий философ, один из основателей атомистики и материалистической философии. Главным достижением философии Демокрита считается развитие им учения об «атоме» — неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей (атомистический материализм). Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте) хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. Само же движение — свойство, естественно присущее атомам. Тела — это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Возникновение жизни на Земле – одна их нераскрытых тайн прошлого. Одним из первых гипотезу о происхождении жизни из абиотической среды высказал русский географ А.И. Опарин (1894–1987). Первоначальная земная среда 4 млрд. лет назад или более была определенно враждебной для любой из существующих теперь форм жизни. Но она содержала атомы углерода, водорода, азота и кислорода в виде молекул воды, водорода, аммиака и метана. Ученые многократно пытались осуществить синтез живого вещества из этих компонентов под воздействием импульсов электрических разрядов, энергии различного электромагнитного происхождения: излучения и т.д. Неоднократно в ходе этих экспериментов были получены аминокислоты, служащие структурными элементами белков и ДНК, носителей наследственности, но синтезировать даже простейший организм – клетку – не удалось. 37 Великие имена Опарин Александр Иванович (1894—1980) — советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР. 3 мая 1924 года на собрании Русского ботанического общества выступил с докладом «О возникновении жизни», в котором предложил теорию возникновения жизни из бульона органических веществ. В середине XX века были экспериментально получены сложные органические вещества при пропускании электрических зарядов через смесь газов и паров, которая гипотетически совпадает с составом атмосферы древней Земли. В качестве протоклеток Опарин рассматривал коацерваты — органические структуры, окружённые жировыми мембранами. Ученые полагают, что в первобытном океане примерно 3,5 млрд. лет назад произошли соединения сложных органических веществ в новые еще более сложные субстанции. У некоторых из них обнаружилось поразительное свойство – способность к воспроизведению своей структуры. Из окружавшего их «первичного бульона» они выбирали полезные для них вещества, тем самым поддерживая свою жизнедеятельность, в частности, рост и размножение. Об этих первых организмах мы знаем очень мало. Они, несомненно, были микроскопических размеров, подобно вирусам, бактериям или грибам. Кислород для них был ядом. Необходимая им энергия получалась в процессе ферментации веществ, входящих в состав «первичного бульона». Это может Вас заинтересовать Теория А.И. Опарина была экспериментально обоснована Стэнли Миллером (1930 – 2007) в 1953 году в эксперименте Миллера – Юри. Он поместил смесь H2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый сосуд и стал пропускать через нее электрические разряды. Оказалось, что образуются аминокислоты. Позднее в разных условиях были получены сахара и 38 нуклеотиды. Стенли Миллер сделал вывод, что жизнь может произойти из коацерватов, образующихся из «первичного бульона», но не смог решить проблему точного воспроизведения жизни внутри коацервата. Им было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК. Затем, через 500 млн. лет, произошло событие, обеспечившее развитие жизни, – возникновение хлорофилла. Стал возможен процесс фотосинтеза, при котором из углекислого газа (существующего в окружающей среде того периода благодаря происходившим процессам ферментации) и воды на свету образуются углеводы и кислород. Появился независимый от первичного бульона источник питания. Первые 3 млрд. лет существования жизни были исключительно бедны с точки зрения биоразнообразия. Оно было представлено главным образом одноклеточными бактериями и примитивными водорослями. Именно они определяли облик жизни на Земле. Этот период охватывает 85% всей истории существования жизни на Земле. Почти все виды растений сложились в последние 600–400 млн лет, затем растительность начала бурно развиваться во всем ее многообразии. Появились первые животные. После выхода растений на сушу началось ее освоение. К новым условиям приспособились некоторые рыбы. Появились амфибии. Поразительна эволюционная изменчивость всех форм жизни, все более гармонично вписывающихся в условия меняющейся окружающей среды. Это определялось тем, что в популяции у разных особей одного вида имело место некоторое генетическое разнообразие, гены не были идентичны. Идею эволюции жизни развил Ч. Дарвин (1809-1882) в 1858 г. Он сформулировал ее как «естественный отбор в результате выживания наиболее приспособленных» особей вида. Идея не раскрывала механизма эволюции. Он стал понятным много позднее с развитием генетики и обнаружением генетического разнообразия организмов, входящих в одну популяцию. 39 Это может Вас заинтересовать Согласно теории панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом (1859 – 1927) в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другую идею – намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести переформирование других планет для будущей колонизации. В пользу своей теории они привели два основных довода – универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден – очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащенной молибденом. Способность к эволюции неодинакова у разных видов. В большой степени она зависит от продолжительности жизни, то есть от частоты смены поколений. Поэтому бактерии, насекомые, грызуны и другие организмы, имеющие короткий период воспроизводства, приспосабливаются к меняющимся условиям весьма быстро. Примером этого стало появление устойчивости болезнетворных бактерий к пенициллину, насекомых к пестицидам и пр. И наоборот, виды, имеющие длительный период воспроизводства и малочисленное потомство, требуют миллионов лет для обнаружения у них каких-либо изменений. Так современный человек генетически мало отличается от кроманьонца. В соответствии с летописью окаменелостей, 94–99% видов живых существ, живших на Земле, вымерли к настоящему времени. Сейчас количество видов оценивается 5– 30 миллионами, причем ежегодно описывается около тысячи неизвестных видов. Биологическое разнообразие служит величайшим капиталом жизни. Оно включает в себя видовое генетическое разнообразие и генетическое разнообразие в пределах отдельных популяций. Эта огромная генетическая библиотека только начинает всерьез изучаться. Она представляет собой ни с чем 40 несравнимую ценность в поиске новых источников питания, лекарств, энергии и других средств обеспечения развития жизни на Земле. Высшим проявлением эволюции на Земле стал человек разумный (Homo sapiens). Организм любого человека – самое сложное сочетание молекул в рамках одного организма на Земле, а может быть и во всей Вселенной. История человека прослеживается до некоторых приматов, существовавших 5–6 млн. лет назад. За время этой длинной, а в геологическом смысле очень короткой, эволюции человек стал, по выражению Уильяма Шекспира (1564-1616), «венцом всего живущего». Действительно, сравнив физические возможности человека со стремительностью и изяществом леопарда, быстротой и совершенством движений дельфинов, красотой и быстротой антилопы, мы все равно должны отдать предпочтение человеку. Он вынослив. На своих двух ногах он способен загнать оленя. В расчете на килограмм своего веса человек, по сравнению с ослом, может нести груз более тяжелый. Только он из всех животных, по выражению английского генетика Д.Б.С. Холдейна (18921964), способен проплыть 1,5 км, пройти 30 км пешком, а затем влезть на дерево. И, конечно, человек отличается от всех животных разумом, то есть он в состоянии обдумывать и планировать свои поступки, выбирать оптимальные решения и осознавать, что совершает их в результате размышлений. Человек наделен большим мозгом на единицу своего веса, чем любое животное. Его мозг отличается не только большим объемом, но и большей поверхностью за счет складок коры головного мозга. Мозг человека в результате эволюции изменялся одновременно с изменениями других органов. Три важнейшие характеристики отличают человека от животных. Его скелет приспособлен для прямохождения. Его глаза обеспечивают резкое, объемное и цветовое восприятие окружающего мира. Его руки способны осуществить как силовой хват, так и тончайшие манипуляции. Кроме того, кожа человека способна к осязанию. 41 В результате развития всех этих способностей у человека сформировалась речь, возможность воспринимать и передавать информацию от одного человека к другому, накапливать и использовать коллективный опыт. История становления человека по оценкам антропологов составляет менее 3 млн. лет. Это очень короткий период в истории жизни на Земле. Если представить время с момента появления жизни на земле, как суточный циферблат часов, современный человек появился всего за 2 секунды до полуночи, а его история начала записываться за 1/4 секунды (рис. 7). Рис. 7. Упрощенная схема исторического развития различных форм жизни на Земле в результате биологической эволюции (в сравнении с суточным ходом часовой стрелки Развитие человечества протекало лишь в последние 2 секунды этих условных суток, но, несмотря на столь кратковременную жизнь, мы сейчас становимся свидетелями вымирания большего числа земных видов, чем за предыдущие 5 млрд. лет. 42 Подумайте и ответьте 1.Ознакомьтесь с теорией А.И. Опарина и её экспериментальным помещённым в подтверждением, рубрике «Это может Вас заинтересовать». 2.Каковы сильные и слабые стороны данной теории? 3.Ознакомьтесь с теориями космического происхождения жизни, находящимися в рубрике «Это может Вас заинтересовать» 4.Какая из приведенных теорий Вам кажется наиболее достоверной. Приведите аргументы в пользу Вашей точки зрения. Творческая страница Напишите стихотворное произведение по приведенной ниже структуре на тему «Человек разумный». 1. Первая строка «Человек разумный» (тема стихотворения). 2. Вторая строка. Два прилагательных, связанных с темой обсуждения. 3. Третья строка. Три глагола 4. Четвертая строка. Предложение, состоящее из 4-5 слов, раскрывающее тему стихотворения. 5. Пятая строка. Одно слово, выраженное любой частью речи. Оцените урок: 43 интересный; полезный; скучный; трудный. Ответ обоснуйте. §3. Экологические связи и организация жизни Это Вы знаете. 1.Ознакомьтесь со схемой экологических факторов (рис.8). 2.Какие экологические факторы действуют на Вас, когда Вы находитесь в классе на уроке, на оживлённой улице, в широколиственном лесу? 3. Что такое экологический фактор? 4. На какие группы можно разделит экологические факторы? Как работать с параграфом 1. Прочитайте текст параграфа. 2. В процессе чтения уточните ответы на поставленные вопросы. Экологическими факторами называют свойства или компоненты внешней среды, влияющие на организмы. Влияние на организмы представителей своего или других видов расценивают как биотические факторы. К абиотическим относят: свет, температуру, влажность, силу ветра или течения, концентрацию или состав солей в растворе, давление, радиоактивное излучение, электромагнитные поля и многие другие. Факторы человеческой деятельности (антропогенные). В их числе различают прямое влияние на организмы (например, промысел) и 44 косвенное - влияние на местообитание (например, загрязнение среды, уничтожение кормовых угодий, строительство плотин на реках и т. п.). Рис. 8. Классификация экологических факторов Экологические факторы (температура, свет, давление, концентрация солей, содержание кислорода и т.п.) по-разному влияют на организмы. Основная закономерность во влиянии экологических факторов на организмы получила название закона оптимума. Недостаточное либо избыточное их действие сказывается на организмах отрицательно. Зона оптимума – это тот диапазон действия фактора, который наиболее благоприятен для жизнедеятельности. Отклонения от оптимума определяют зоны пессимума. В них организмы испытывают угнетение. Минимально и максимально переносимые значения фактора – это критические точки, приводящие организм к гибели. 45 Рис.9. Схема действия факторов среды на живые организмы Необходимо учитывать, что то, что является оптимальным для одного вида, для другого представляет пессимум или даже находится за пределами критических точек. Верблюды и тушканчики не могли бы жить в тундре, а северные олени и лемминги – в жарких южных пустынях. Если начертить кривые оптимума какого-либо фактора, например, температуры для разных видов, то они не совпадут. В реакциях организмов на изменение условий реализуется также закон взаимодействия факторов. Они могут усиливать или ослаблять друг друга во влиянии на организм. Так, все знают, что сильный мороз тяжелее переносить в ветреную погоду, а жару – при влажном воздухе. Вся практика возделывания культурных растений и выращивания животных основана на грамотном использовании законов оптимума и взаимодействия факторов. Урожайность и продуктивность сортов и пород 46 зависит от того, удается ли не допустить сильного отклонения условий от оптимальных, а тем более – приближения к критическим точкам. Жизнь организмов подчиняется лимитирующих факторов. также Оно правилу позволяет ограничивающих, понять, какие или из многочисленных и одновременно действующих факторов наиболее важны в данный момент, определяя выживание, рост и развитие организмов. Закон оптимума и другие общие законы влияния экологических факторов на организмы принизывают и всю нашу жизнь. В быту они проявляются в необходимости соблюдения меры в потреблении тех или иных веществ: пищи и отдельных её компонентов, лекарственных препаратов, чистящих и дезинфицирующих химикатов, средств защиты от вредителей и т.п. Чувство меры во всем, включая поведение, высоко ценится в морали всех народов мира. Однако эти простые и интуитивно давно понимаемые законы часто грубо нарушаются в хозяйственной деятельности, что приводит к загрязнению среды и экологическим катастрофам. Избыток удобрений, вносимых в почву – причина широко распространенной эвтрофикации (цветения) водоемов. Избыток ядохимикатов, применяемых в борьбе с вредителями, в конечном счете через продукты питания и воду поступают в организм человека, подрывая здоровье. Эти сложности создаются самим человеком, не соблюдающим количественные нормы воздействия на окружающую среду. Справочная информация Правило взаимодействия факторов. Сущность его заключается в том, что одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, избыток тепла может в какой-то мере смягчаться пониженной влажностью воздуха, недостаток света для фотосинтеза растений - компенсироваться повышенным содержанием углекислого газа в воздухе и т. п. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимозаменяться. Они не взаимозаменяемы. В немногих случаях абиотические факторы практически неизменны (например, земная гравитация, солевой состав океана, температура в его глубинах, состав атмосферы и др.). В большинстве случаев они меняют 47 силу своего проявления в пространстве или времени, создавая большое разнообразие условий жизни. Интересна классификация факторов по периодичности и направленности действия, степени адаптации к ним организмов. В этом отношении выделяют факторы, действующие строго периодически (смены времени суток, сезонов года, приливно-отливные явления и т. п.), действующие без строгой периодичности, но повторяющиеся время от времени. Сюда относятся погодные явления, наводнения, ураганы, землетрясения и т. п. Следующая группа - факторы направленного действия, они обычно изменяются в одном направлении (потепление или похолодание климата, зарастание водоемов, заболачивание территорий и т. п.). И последняя группа - факторы неопределенного действия. Сюда относятся антропогенные факторы, наиболее опасные для организмов и их сообществ. Из перечисленных групп факторов организмы легче всего адаптируются или адаптированы к тем, которые четко изменяются (строго периодические, направленные). Адаптивность (приспособляемость) к ним такова, что часто становится наследственно обусловленной. И если фактор меняет периодичность, то организм продолжает в течение некоторого времени сохранять адаптации к нему, т. е. действовать в ритме так называемых «биологических часов». Такое явление, в частности, имеет место при смене часовых поясов. Некоторые трудности характерны для адаптации к нерегулярно-периодическим факторам, но организмы нередко имеют механизмы предчувствия их возможности (землетрясения, ураганы, наводнения и т. п.) и в какой-то мере могут смягчать их отрицательные последствия. Наибольшие трудности для адаптации представляют факторы, природа которых неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался с такими явлениями и в процессе эволюции. Сюда, как отмечалось, относится группа антропогенных факторов. В этом их основная специфика и антиэкологичность. Многие из этих факторов, 48 кроме того, выступают как вредные. Их относят к группе ксенобиотиков (греч. ксенокс - чужой). К последним относятся практически все загрязняющие вещества. В числе быстроизменяющихся факторов большое беспокойство в обусловливаемое настоящее так время называемым вызывают «тепличным, изменение или климата, парниковым, эффектом», изменение водных экосистем в результате преобразования рек, мелиорации и т. п. Только в отдельных случаях по отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так называемых преадаптаций, т. е. те адаптации, которые выработались по отношению к другим факторам. Так, например, устойчивости растений к загрязнениям воздуха в какой-то мере способствуют те структуры, которые благоприятны для повышения засухоустойчивости: плотные покровные ткани листьев, наличие на них воскового налета, опушенности, меньшее количество устьиц и другие структуры, замедляющие процессы поглощения веществ, а следовательно, и отравление организма. Это необходимо учитывать, в частности, при подборе ассортимента видов для выращивания в районах с высокой промышленной нагрузкой, для озеленения городов, промышленных площадок и т.п. Зачем нужны экологические знания. Живая природа была бы гораздо более неустойчива, если бы виды не обладали таким мощным потенциалом размножения. На этом её свойстве строит своё благополучие и человеческое общество, используя растения и животных как источник питания и поставщиков разнообразных материалов для хозяйственных целей. Сельскохозяйственное производство заинтересовано в реализации биотического потенциала культивируемых видов. Современное общество целиком зависит от урожайности сельскохозяйственных растений и продукции животноводства, в основе которых лежит грамотное управление размножением сортов и пород. В этой области накоплен огромный опыт на глубокой научной основе. Достаточно привести пример многократного увеличения плодовитости кур при селекции на яйценоскость, выведение сортов ветвистой пшеницы, многоплодных свиноматок, сокращение сроков размножения и увеличение плодовитости пушных зверей на зверофермах. Однако успехи сельского хозяйства во всех странах даются нелегко и сопряжены с большим вложением средств и энергетических ресурсов. Для быстро растущего населения Земли явно не хватает продуктов питания, получаемых с возделываемых земель и пастбищ. В хозяйственной деятельности человека большую роль играют также разнообразные промыслы. Именно за их счёт развивалось человечество до наступления эры производства продуктов питания – растениеводства и животноводства. Современные промыслы, такие как рыболовство, китобойный, охотничий и другие в первую очередь сталкиваются с проблемой воспроизводства видов. Воздействие на 49 промысловые объекты стало таким мощным и масштабным, что даже виды с высоким биотическим потенциалом не успевают возродиться и численность их резко падает. Особенно это относится к видам с медленным размножением. Перепромысел – одна из важнейших экологических драм современности. Так, на грани исчезновения находятся киты, и даже международный запрет на добычу большинства видов пока не способствует эффективному возобновлению их численности. Перепромыслу подверглись многие виды рыб, даже такая плодовитая, как треска. Её уловы резко пошли на убыль уже в 70-х годах прошлого века. В результате возросло обилие основного кормового объекта трески – мелкой мойвы, которая также стала объектом усиленного промысла. Неумеренный вылов вскоре резко сократил численность даже этой рыбы, с гораздо более быстрым оборотом генераций, чем у трески. В настоящее время практически все объекты океанического промысла находятся под угрозой подрыва их запасов. Условия размножаемости конкретных видов надо знать для решения задач не только восстановления их численности, но и наоборот, для предотвращения её безудержного роста. Такие переразмножившиеся виды становятся вредителями полей, лесов, запасов продуктов, распространителями заболеваний. В городах, например, ведётся постоянная борьба с крысами, тараканами, мухами и другими неприятными сожителями человека. В сельском и лесном хозяйстве требуются огромные траты на предотвращение размножения вредителей или борьбу с ними. На возможности реализации биотического потенциала видов оказывают влияние не только их враги и потребители, но и в большой мере – физико-химические условия среды обитания, которые мы разделяем на экологические факторы. В природе на организмы одновременно влияет целый комплекс факторов среды в разных комбинациях и с разной силой. Выделить роль каждого из них непросто. Какой из них значит больше, чем другие? Для понимания связи видов со средой не менее важен закон ограничивающего фактора, который гласит, что наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений. Именно от него и зависит в данный конкретный период выживание особей. В другие отрезки времени ограничивающими могут стать другие факторы. В течение жизни организмы встречаются с самыми разными ограничениями своей жизнедеятельности. Виды чрезвычайно разнообразны по способности переносить изменения факторов. В природе выделяются два крайних варианта – узкая специализация и широкая выносливость. У специализированных видов критические точки значения фактора сильно сближены, такие виды могут жить только при постоянстве условий. Так, многие глубоководные обитатели – рыбы, иглокожие, ракообразные не переносят колебания 50 температуры даже на 2–3 градуса. Растения влажных местообитаний (калужница болотная, недотрога и др.) моментально вянут, если воздух вокруг них не насыщен водяными парами. Виды с узким диапазоном выносливости называют стенобионтами, а с широким – эврибионтами. Если нужно подчеркнуть отношение к какому-либо фактору, используют слова «стено» и «эври» применительно к его названию, например, стенотермный вид – не переносящий колебания температур, эвригалинный – способный жить при широких колебаниях солености воды. Живые существа отвечают на изменение действия экологических факторов адаптивными реакциями. Адаптациями называют любые изменения в строении и функциях организмов, которые повышают их шансы на выживание. Адаптации возникают и развиваются в ходе эволюции видов и обеспечивают жизнь их представителей в определенных границах изменения среды. У растений возникают различные адаптации к использованию светового режима. Их делят по этим признакам на три экологических группы: 1) светолюбивые (гелиофиты), 2) тенелюбивые (сциофиты) и 3) теневыносливые. Гелиофиты могут успешно расти только в открытых, хорошо освещаемых местообитаниях. Это растения степей, пустынь, лугов и полян. Тенелюбивые растения адаптированы улавливать слабый свет, некоторые – даже менее 1% от полного дневного освещения. Это растения тенистых лесов, пещер, толщи вод. В густых кронах деревьев часть листьев имеет световое строение, а часть – теневое. Структура листа определяется условиями освещения закладывающихся почек. Позднее лист не может изменить свою структуру. Если для растений свет – основное условие жизни, то для животных он не является абсолютно необходимым. Многие виды могут жить и в полной темноте – в глубине океана, в почве или пещерах. Но большинство обладает способностью использовать видимый свет для ориентации в пространстве. Органы зрения животных воспринимают рассеянные, 51 отражённые от предметов лучи, несущие им информацию о внешнем мире. Наиболее совершенные органы зрения (позвоночных, насекомых, головоногих моллюсков) позволяют воспринимать форму и размер предметов, оценивать расстояние. Восприятие цвета у животных различно. Пчёлы, например, не распознают красный, но могут видеть ультрафиолетовый, не ощущаемый нами. Змеи как цвет воспринимают инфракрасные, для нас – тепловые лучи. Многие млекопитающие (кошачьи, собачьи др.), ведущие своё начало от предков с сумеречным образом жизни, обладают только черно-белым видением. Талица 2. Классификация биотических взаимодействий Тип взаимодействия Нейтрализм 1 0 Виды 2 0 Конкуренция - - Аменсализм - 0 Паразитизм + - 52 Общий характер взаимодействия Взаимная независимость совместно обитающих видов на одной территории (например, белки и лоси в одном лесу) Взаимное подавление обоих видов (например, рысь и росомаха, лисохвост луговой и типчак) Отношение, при котором один вид не может нормально питаться и размножаться в присутствии другого вида, которому это безразлично (например, плесневые грибы и бактерии: плесневые грибы вырабатывают антибиотики, в присутствии которых жизнедеятельность бактерий подавляется или существенно ограничивается) Форма межвидовых отношений, при которой один организм (паразит) живет за счет другого (хозяина) и при этом наносит ему ущерб, но Хищничество + - Комменсализм + 0 Протокооперация + + Мутуализм + + 53 обычно не приводит к гибели, т.е. представители одного вида используют представителей другого вида не только как место обитания, но и как источник питания (например, человек и ленточные черви (бычий цепень), гриб-трутовик на стволе березы, фитофтора и картофель) Особи одного вида преследуют, ловят и поедают особей других видов (например, лисицы и мыши, волки и северные олени, щуки и карпы, росянки и насекомые) Тип межвидовых взаимоотношений, при котором особи одного вида получают пользу из совместного существования, не принося вреда особям другого вида (рыба-прилипала присасывается к поверхности тела акул, китообразных и передвигается вместе с ней, питаясь остатками её корма) Совместное существование с целью повышения адаптации, выгодно обоим видам, но не обязательно для них (например, коллективное гнездование нескольких видов птиц, способствующие защите всего населения от хищников, рак-отшельник и актиния, муравьи и тля, мурены и рыбычистильщики) Сожительство, из которого оба вида извлекают пользу, но лишь один из них может может развиваться лишь в присутствии другого, тогда как другой может жить самостоятельно (например, некоторые виды лишайников, которые представляют симбиоз водоросли и гриба, термиты и жгутиковые простейшие, обитающие в их кишечнике) Подумайте и ответьте. 1. Обсудите, почему чувство меры так ценится у всех народов мира и входит в нормы морали? 2. В теплице, где выращивалась рассада и поддерживалась оптимальная температура и влажность, прекратилась подача воды. Ремонт должен занять 2 дня. Агроном распорядился ограничить подачу тепла в теплицу. Правильно ли он сделал и почему? 3. Благодаря созданию искусственного микроклимата люди могут жить и работать в разных температурных условиях. Значит ли это, что температура не является фактором. ограничивающим деятельность человека? 4. Дополните схему «Классификация организмов». 54 взаимоотношений живых 5. Приведите примеры хищничества, конкуренции, мутуализма, паразитизма. 6. Определите тип взаимодействия в следующих примерах…. 7. Взаимодействие между двумя видами организмов можно оценить в знаковой форме: (+)- польза; (-) вред (включая гибель); (0)нейтрально. Представьте в знаковой форме систему взаимоотношений живых организмов, представленную на рисунке. Применяем полученные знания на практике. 1. От растений, возделываемых на полях, человек стремится получить максимально возможную продукцию. Каждое сортовое растение пшеницы может дать до 300 семян, что означало бы урожай в 600 ц на 1 га. Однако на практике высоким считается урожай в 40-50 ц на 1 га. Каковы возможные причины того, что урожайность пшеницы не достигает максимума? 2. Если каждый вид обладает способностью к безграничному размножению, как объяснить наличие в природе большого числа редких видов? 3. Одно растение василька голубого производит в среднем 1500 семян. Семена сохраняют всхожесть 10 лет. Определите запасы семян этого сорняка в почве после 3 лет засорения им посевов на одном поле со средней численностью 3 растения на 1 кв. м. 4. Сельскохозяйственная наука обладает большой суммой знаний о том, как управлять размножаемостью культурных растений и 55 сельскохозяйственных животных. Почему в таком случае во многих странах мира существует продовольственная проблема? 5. Почему в природе взрывы численности отдельных видов, демонстрирующие их способность к размножению, называют экологическим катастрофами? 6. Многие быстро размножающиеся насекомые (тараканы, комнатные мухи, комары и др.) вредят человеку. Каково Ваше мнение, можно ли использовать потенциал их размножения в хозяйственных целях? Если нет, то почему, а если да, то для каких целей? 7. На полях, занятых сельскохозяйственными культурами, часто происходят взрывы численности тех видов насекомых, которые не размножались в таком количестве в природе. Каково Ваше мнение, почему это происходит? Оцените свою работу на уроке. Я работал (а) хорошо. Я работала (а) посредственно. Что мешало продуктивной работе на уроке? §4. Уровни организации живых систем и законы устойчивости природы Это Вы знаете. 1. С круговоротами каких элементов Вы познакомились на уроках химии? 2. Какова роль круговоротов этих веществ в природе? Как работать с параграфом 1. Ознакомьтесь а материалом параграфа. 2. В процессе чтения нарисуйте карту познания. Для этого в центре поместите ключевое понятие «уровни организации живых систем». От основного понятия выделите линии первого порядка, характеризующие уровни организации жизни: организмы, популяции, биоценозы. Охарактеризуйте их при помощи линий второго порядка. Помните, что при составлении карты познания должно быть как можно меньше слов, больше рисунков и условных обозначений. Линии, характеризующие организмы, популяции и биоценозы можно выделить различными цветами. Примерно за полтора столетия экология постепенно охватила все основные уровни организации жизни: организмы – виды с их популяциями 56 – биоценозы – экосистемы, включая биосферу как самую большую экосистему планеты. Жизнь на Земле сложно структурирована. Она проявляется только в организмах (простейшие из них – одноклеточные, а сложнейшие состоят из миллиардов клеток). Но каждый организм, простой или сложный, является представителем популяции какого-либо вида, существует только в сообществах, которые входят в состав какой-либо экосистемы, извлекают поддерживают потоки энергии биологический из круговорот окружающей веществ среды. и Биосфера функционирует по законам огромной сложной экосистемы. Природа на протяжении почти всей истории человечества была сильнее его и всегда восстанавливала производимые нарушения. Сейчас мы находимся на таком этапе, когда разрушительные процессы, вызываемые потреблением ресурсов биосферы, становятся мощнее восстановительных сил живой природы. Затрагивается вся система жизнеобеспечения человеческого общества на планете. Современный мир стоит перед необходимостью резко менять систему хозяйствования и ориентируется прежде всего на законы устойчивости и развития жизни. Единственной альтернативой стихийного развития общества, приведшего мир на грань глобальной экологической катастрофы, становится сознательная переориентация экономики и образа жизни на путь, не противоречащий, а согласующийся с законами живой природы. Человечество осознает, наконец, что оно – её часть и должно быть встроено в общую природную систему таким образом, что не только не подрывать своего будущего, но и иметь возможность длительного устойчивого развития. Для этого необходимо, прежде всего, знать и глубоко понимать те связи и закономерности, которым подчиняется жизнь на нашей планете. Зачем нужны экологические знания Первоначальный интерес к отдельным видам и организмам не случаен. Живая природа сложно структурирована и первое, что бросается в глаза – огромное множество разнообразных организмов, её составляющих. Из ныне живущих описано 57 более полутора миллионов видов, что далеко не исчерпывает её современного богатства, так как ежегодно выявляются сотни новых, особенно из мелкоразмерных форм. В истории Земли виды сменяют друг друга, и по подсчетам палеонтологов вымершие превышают существующих примерно на два порядка величин. Такое гигантское разнообразие явно не случайно, и в нем просматривается связь с устойчивостью жизни в целом. Каждый вид по-своему связан со средой, отличаясь от других множеством мелких и крупных особенностей. Современная аутэкология расшифровала эти связи далеко не для всех ныне живущих видов, а лишь для очень небольшой их части. Эти сведения имеют не только неоценимое значение для теории, но и самое прямое отношение к человеческой практике. Успех выращивания культурных растений и сельскохозяйственных животных напрямую зависит от глубины наших знаний об их экологических зависимостях. То же относится и к промысловым видам, а также используемым в медицинской практике и других сферах жизни человека. Биосфера представляет собой область активной жизни в приземных слоях атмосферы, гидросфере и литосфере. Ее верхней границей является озоновый слой, так как выше него все формы жизни уничтожаются жестким коротковолновым излучением. Она включает в себя всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Общая структура оболочек Земли формирующих биосферу представлена на рисунке ….. (высота в метрах). 58 60000 30000 Озоновый «экран» 10000 Эверест, 8848 м 8000 Граница распространения животных Граница растений 6000 Б высших Почва до 1,5 м Леса, луга 0 Литосфера Б И 4000 О С 200 Ф Е -10 Р А , -100 м -200 распространения Донные отложения -1000 -3000 Мариа нский желоб -6000 10000 - 10830 структура оболочек Земли, формирующих биосферу Рис.10. Общая Жизнь на Земле зависит от круговорота важнейших химических веществ, в которых непосредственное участие принимает живое вещество. На рис. 10 Атмосфера Случайное пребывание организмов 100000 круговорот обозначен сплошными линиями, однонаправленный поток энергии через биосферу - пунктирными. 59 а Рис. 11. Упрощенная схема циркуляции некоторых важнейших химических веществ. Все живые существа, кроме продуцентов, получают энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов, через питательные вещества, входящие в состав растений. Кроме того, им необходима вода, кислород и некоторые неорганические соединения. Около 40 химических элементов требуются в больших количествах. К ним относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний и другие. Это так называемые макроэлементы. Человеческое тело на 97% состоит из них. В массе всех живых организмов они занимают 95%. Для жизни необходимы, по крайней мере, 30 других химических элементов, но уже в микроколичествах. К микроэлементам относятся Fe, Cu, Zn, Cl, I и др. Все макро- и микроэлементы в биосфере находятся в 60 круговороте, хотя время оборачиваемости через живое вещество для разных элементов различно. Биогеохимическим циклом называется круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. Длительность циклов круговорота газообразных веществ достаточно мала, обычно несколько дней или даже часов. Длительность круговоротов, включающих осадочные циклы, то есть движение веществ через включение их в донные отложения, горные породы и т.д. могут измеряться и геологическим временем (тысячи и миллионы лет). Именно в результате этих циклов возникли запасы каменного угля, нефти и газа, являющиеся по существу солнечными энергетическими консервами, а также многие руды металлов, карбонаты и фосфаты, состоящие из останков микроскопических организмов. Часто они содержат весьма ценные уран и редкоземельные элементы. Упрощенная диаграмма части углеродного цикла показана на рис. … Этот круговорот вещества в экосистемах и в биосфере является также важным элементом кислородного и водородного циклов. Углерод быстро циркулирует между атмосферой и гидросферой. В цикле принимает участие живое вещество. Некоторая часть углерода накоплена в каменном угле, нефти, газе и на длительный период времени выведена из круговорота. В водных системах углекислый газ образует малорастворимый карбонат кальция. Из него, в частности, состоят раковины моллюсков. Возврат этого углерода в цикл в результате растворения в океанической воде, расплавления горных пород при их опускании вглубь Земли или при вулканических извержениях происходит очень медленно, миллионы лет. 61 Рис. 12. Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества (закрашенные стрелки) в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания. Упрощенная диаграмма круговорота азота приведена на рисунке 13. Для образования белков и нуклеиновых кислот большинству зеленых растений азот необходим в нитратной или аммонийной формах. Фиксация азота воздуха осуществляется сине-зелеными водорослями, некоторыми бактериями в воде и почве, а также бактериями, обитающими в клубеньках бобовых растений. 62 Рис. 13. Упрощенная диаграмма круговорота азота Круговорот фосфора в упрощенном виде показан на рис 14. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы. В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв, и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы 63 водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно. Рис. 14. Упрощенная диаграмма круговорота фосфора Любая экологическая система состоит из экологических ниш. Ниша вида в экосистеме – это и место, где этот вид обитает, и образ его жизни: питание, защита от врагов и т.д. Экологическая ниша - место в биогеоценозе, которое занимает вид, не конкурируя с другими видами за источник энергии. Под нишей понимают совокупность всех факторов среды, в пределах которого возможно существование данного вида в природе, то есть живет и размножается. Обычно экологические ниши заняты одним видом. Экологическая ниша - по Ю. Одуму - профессия вида. 64 Экосистемы производят первичную продукцию, потребляют ее, осуществляют круговорот веществ, перерабатывают останки организмов. Все экосистемы обладают определенной упругостью, способностью восстанавливаться после определенных нарушений. Совокупность экосистем образует биосферу. Она, в целом, обладает тем же свойством упругости, однако возмущения не должны быть чрезмерно большими. Всякий раз, когда в результате тех или иных событий экосистема выходит из зоны толерантности, она разрушается. Если гибнет экосистема, это может быть невосполнимой потерей. Ущерб биосфере в целом грозит гибелью определенным видам организмов, а при глубоких изменениях и всем продвинутым формам живого вещества. Супермакромир, или космос (очень большой) Макромир (обычный) Вселенная ↑ Галактика ↑ Солнечная система ↑ Земля ↑ Биосфера (единое целое, охватывающие всю совокупность населяющих землю организмов и среду их обитания) ↑ Экосистемы (единый природный или природно-антропогенный комплекс, функциональное целое) ↑ Сообщества (биоценозы) (группировки живых организмов, обитающих в различных биотических единицах – в лесу, на лугу и др.) ↑ Популяции (совокупность особей данного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определённую территорию) ↑ Организмы (любое живое существо, целостная система) ↑ Органы ↑ 65 Ткани ↑ Клетки (элементарная живая частица) ↑ Молекулы ↑ Атомы ↑ Элементарные частицы Микромир (очень маленький) Рис. 15. Схема уровней организации природных систем Подумайте и ответьте 1. Познакомьтесь с рис. 15 «Схема уровней организации природных систем». Выделите по схеме и запишите в тетрадь те уровни, которые изучает экология. 2. Назовите группу организмов, для которых клеточный и организменный уровни организации совпадают. Приведите примеры таких организмов. Оцените работу на уроке Я внимательно: читал(а), слушал(а), принимал(а) участие в обсуждении; отвечал(а) на вопросы. Карта познания: помогла осмыслить новый материал; затруднила изучение материала. Какой способ краткого представления учебного наиболее подходит: таблица; схема; карта познания; тезис; другое. 66 материала мне Игровые упражнения на взаимодействии и принятия коллективного решения Уважаемые старшеклассники! Предлагаемые упражнения помогут вам провести анализ совместной работы, осмыслить ситуации, с которыми вы постоянно сталкиваетесь в реальной жизни. Ведь игра – это та же жизнь, только которая проходит быстрее. сплочение команды, Смыслом предлагаемых вам игр является сопереживание за успехи как каждого участника всей команды в целом. Для этого важным является согласованность действий, достижение компромисса между всеми участниками игры. Выполняя эти упражнения, постарайтесь быть внимательными, доброжелательными, терпимыми к мнению других. Надеемся, что эти правила вы будете соблюдать всегда. 1. Упражнение «Знакомство». Как выполнить упражнение. Рассчитайтесь на первый и второй. Первые и вторые номера поворачиваются лицом друг к другу и проводят интервью, цель которого как можно больше узнать друг о друге. Четные номера спрашивают, нечетные – отвечают. Интервью длится 50 секунд. Затем первые и вторые номера поворачиваются спиной друг к другу. Теперь во вновь образованных парах происходит интервью: нечетные номера спрашивают, в течение 50 секунд. Затем все поворачиваются лицом в круг и в течение 20 секунд по очереди представляют группе человека, которого они интервьюировали. Представление должно быть максимально благожелательным и не обидным как для того, о ком рассказывают, так и для всех членов группы. После выполнения упражнения обсудите: узнали ли Вы что-то новое друг о друге? как Вы себя чувствовали, когда представляли Вас? 2. Упражнение с мячом. Как выполнить упражнение. Участники становятся в круг и перебрасывают друг другу мяч. При броске игрок называет свое имя. Вбрасывает мяч ведущий, причем бросает его игроку, стоящему напротив. Каждый из участников должен по крайней 67 мере один раз бросить мяч быстрее и назвать свое имя. Цель – как можно быстрее выполнит упражнение как можно быстрее. После выполнения упражнения обсудите: кто ни разу не коснулся мяча? кто коснулся его больше, чем один раз? как можно уменьшить время на выполнение упражнения? кто подсказал оптимальное решение? что дала Вам эта игра? Если найдено оптимальное решение, попробуйте усложнить упражнение. Например, необходимо бросать мяч игрокам, расположив имена по алфавиту. 3. Упражнение «Построение геометрических фигур» Как выполнить упражнение Возьмите большую веревку, связанную в кольцо. Все участники становятся вдоль веревки, берут ее в руки и натягивают, получается круг. Далее с закрытыми глазами команда должна построить прямоугольник. Затем открыть глаза и посмотреть, что получилось. Снова закрыть глаза и построить треугольник и т.д. Если упражнение не удалось выполнить с закрытыми глазами, можно попытаться найти универсальное решение с открытыми глазами для построения любой заданной геометрической фигуры. После выполнения упражнения обсудите: легко ли было выполнить задание? в чем заключалась основная трудность? какова роль каждого члена группы? кто взял на себя роль лидера при выполнении упражнения? как происходило обсуждение? все ли были вовлечены в деятельность? 4. Упражнение «Обелиск Тин» Как выполнить упражнение Для выполнения упражнения объединитесь в группы по 5-7 человек. Цель команды – найти ответ на загадку, используя информационные карточки. Карточки распределяют произвольным образом между среди участников. Информацией можно поделиться вслух, но нельзя показывать свою карточку другим участникам. Побеждает та команда, которая быстрее даст правильный ответ. Загадка: в древней Атлантиде был построен массивный прямоугольный обелиск, названный Тин в честь богини Тины. Это сооружение было завершено менее чем за 2 недели. Определите в какой день недели было завешено строительство. Информация на карточках ( одна ключевая фраза на каждой). 68 Основная единица измерения времени в Атланте – день. Атлантический день делится на Члибы и Понки. Длина обелиска Тин 10м. Высота – 30 м. Ширина – 5 м. Обелиск Тин построен из каменных блоков. Каждый блок имеет объем 30 дм кубических. 1 дм = 0,1 м. Первый день Атлантической недели – день Воды. Второй – день Нептуна. Третий – день Акулы. Четвертый – день Русалки. Пятый – день штиля. В Атлантической неделе пять дней. Рабочий день длится 9 Члибов. Каждому работнику в течение рабочего дня полагаются периоды отдыха общей продолжительностью 16 Понков. В Члибе 8 Понков. Каждый работник кладет по 150 блоков за Члиб. В любой момент времени работ на строительстве находится бригада из девяти человек. Один член каждой бригады имеет религиозные обязанности и не кладет блоки. День Штиля – нерабочий день. Что такое куббит? Куббит – это куб, все стороны которого равны одному мегалитическому ярду. Воскресенье – рабочий день? Что такое Тин? Каким образом установлен Тин? Тин сделан из зеленых блоков. Зеленый цвет имеет особое религиозное значение в день Русалки. Каждая бригада включает двух женщин. Работа начинается в первый день Атлантической недели? На строительстве обелиска Тин всегда работает одна бригада. После выполнения упражнения участники должны обсудить: вызвало ли трудности выполнение данного упражнения? В чем была основная трудность – в избытке информации, непонятных словах или в чем-либо другом? Оцените вашу работу 1. Мы справились с работой отлично. 69 2. Мы выполнили работу хорошо. 3. Мы не справилась с работой. Что помешало? Что необходимо улучшить, чтобы продолжить работу вместе? 70 Подведем итоги. Основные законы устойчивости живой природы. Проведение читательской конференции Как провести читательскую конференцию 1. Найдите информацию о законах устойчивости живой природы: поддержания биологического разнообразия (видовое разнообразие, заменяемость видов в биоценозах, обеспечение регуляции численности и поддержание устойчивости экосистем), саморегуляции (способностях экосистем и биосферы к сбалансированному развитию, регуляции потоков энергии и вещества), цикличности природных процессов (суточные и сезонные изменения в природе, фотопериодизм). Для этого вы можете воспользоваться интернетом или изданиями Ю. Одума «Экология», Дж. Миллера «Основы экологии», учебником Н. М. Черновой и соавторов «Экология». 2. Разделитесь на группы. Работая в группе, ознакомьте всех ее участников с подготовленной информацией. Выберите наиболее интересную информацию и ее автора и представьте классу. 3. В процессе коллективной работы определите автора наиболее логично изложенной, содержательной, проиллюстрированной интересными примерами информации, которая может быть отмечена как новость недели, а ее автор может быть признан лучшим докладчиком. Оцените свою работу на конференции. -я принимал (а) участие в обсуждении, задавал вопросы и отвечал на них; -я просто слушал (а) обсуждение; -мне кажется, что к моему мнению прислушивались; -мои выступления я оцениваю, как … - в следующий раз я : а) возьму другую роль; б) повторю эту роль; в) буду работать лучше; 71 г) прочту больше книг; д) другое. 72