Использование знаний о биогеохимической деятельности микроорганизмов на уроках биологии. Биосфера и ее эволюция Роль прокариот в эволюции биосферы

Ответ от КоШкА[гуру]
Прокариоты иным образом осуществляют фотосинтез, нежели растения. Бактерии используют в этом процессе пигмент бактериохлорин
и не выделяют кислород в окружающую среду. Фотоавтотрофные архебактерии осуществляют фотосинтез при помощи бактериородопсина, а цианобактерии помимо хлорофилла имеют еще дополнительно два других пигмента: фикоцианин и фикоэритрин. Указанные факты показывают, что природа предусмотрела для реализации синтеза первичного органического вещества несколько пигментов, которые существенно расширяют спектральный состав излучения, доступного для фотосинтеза. Среди прокариот значительно распространен хемосинтез. Кроме того, среди бактериальных организмов имеются азотофиксирующие формы: это единственная на нашей планете группа живых организмов, которые способны усваивать азот непосредственно из атмосферного воздуха и таким образом вовлекать молекулярный азот в биологический цикл.
Бактерии и синезеленые включают в состав органического вещества до 90% всего входящего в биогенный цикл азота; оставшиеся же 10% азота связываются грозовыми электрическими разрядами. Из сказанного следует, что важнейшей функцией прокариот в биосфере является вовлечение в круговорот элементов из косной (неживой) природы.
В то же время прокариоты имеют еще и другую важнейшую функцию, прямо противоположную первой: возвращение неорганических веществ в окружающую среду путем разрушения (минерализации) органических соединений. Гетеротрофные бактерии функционируют не только в почве и воде, но и в кишечнике очень многих животных, где они интенсивно воздействуют переводу сложных соединений углеводов в более простые формы.
На уровне биосферы в целом прокариоты, в первую очередь бактерии, обладают еще одной очень важной функцией - концентрационной. Исследованиями установлено, что микроорганизмы способны активно извлекать из окружающей среды определенные элементы даже при крайне низких их концентрациях. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов содержание железа, ванадия, марганца и ряда других в сотни раз выше, чем в окружающей их среде. Деятельностью бактерий собственно и созданы естественные месторождения этих элементов.
Свойства и функции прокариот настолько разнообразны, что в принципе они способны создавать устойчиво функционирующие свойственные (т. е. только при своем участии) экосистемы. Недаром в истории жизни на Земле почти 2 млрд. лет она и была представлена прокариотами. "Именно цианобактерии первыми заселили атолл Бикини после ядерного взрыва и остров Суррей, возникший в 1963 году в результате извержения подводного вулкана южнее Исландии. Высокая устойчивость к внешним воздействиям (ряд видов прокариот выдерживают температуру выше 100° С, кислую среду с рН около 1, соленость с содержанием в растворе 20-30% галита NaCl) превращает эту группу в представителей живого вещества в самых экстремальных условиях" (Шилов И. А. , 2000, с. 56)
еще смотри тут:
ссылка

Биосфера планеты представляет собой единый мегаорганизм, части которого гармонично взаимосвязаны между собой. Все многообразие жизни делят на два надцарства – прокариотов (доядерные организмы) и эукариотов (имеющих ядро). Надцарства подразделяют на живые царства:

• вирусы;
• бактерии;
• грибы;
• растения;
• животные.

Царство бактерий совместно с царством вирусов объединяют в надцарство прокариотов – безъядерных организмов. Исторически – это первый эшелон живых организмов на планете.

Живые одноклеточные организмы появились около 3,8 млрд. лет назад. Почти миллиард лет они были единственными живыми обитателями планеты – успешно размножались, развивались и приспосабливались. Результатом их жизнедеятельности стало появление свободного кислорода в атмосфере планеты, что позволило зародиться многоклеточным организмам – грибам, растениям, цветам и животным.

В наше время живые бактерии обитают везде: начиная от разреженных атмосферных слоев и до самых глубоких океанических впадин, живут они в арктических льдах и в термальных гейзерах. Бактерии заселили не только свободное пространство – они прекрасно себя чувствуют внутри других организмов, будь то грибы, растения или животные.

В природе все животные, и человек не исключение, являются средой обитания для микробов, которые заселяют:

• кожные покровы;
• полость рта;
• кишечник.

Исследователи установили, что численность клеток микроорганизмов, проживающих в теле человека, в 10 раз превышает количество его собственных клеток. Несмотря на столь высокие количественные показатели, вес бактерий, проживающих в организме, не превышает 2 кг – сказывается значительная разница в размере клеток.

Живые представители царства бактерий имеют неисчислимое количество видов, однако общим для всех них является:

• отсутствие выраженного ядра;
• очень маленькие (в сравнении клетками растений и животных) размеры клетки;
• биологической единицей является сама клетка, в случае их объединения речь идет о колонии бактерий.

Именно представители царства бактерий сделали возможным появление грибов, растений и животных. Появившись на планете, микроорганизмы не только приспосабливались к имеющимся условиям – они активно изменяли свою среду обитания, создавая качественно новые характеристики.

Круговорот азота и углерода в природе происходит исключительно благодаря микроорганизмам. Ученые установили, что если из биосферы изъять микробы, жизнь на планете не сможет сохраниться.

Роль прокариотов в биосферных циклах

При зарождении жизни на планете представители царства бактерий активно участвовали в формировании биосферы. Современная биосфера нуждается в микроорганизмах для сохранения уровня функционирования – круговорот энергии и вещества в природе обеспечивают микробы.

Примерами доминирующей роли живых микробов в биосферных процессах являются создание и поддержание плодородного слоя почвы.

Помимо газовых и окислительных функций, все большее значение приобретают геохимические функции микроорганизмов. Ферментативная активность и концентрационные функции имеют ощутимое влияние на геохимию планеты.

Видовое разнообразие микроорганизмов

Представители царства бактерий заселили все уровни биосферы, а по наличию микробов определяют верхнюю и нижнюю границы биосферы планеты. Обитая в столь различных по физическим параметрам средах, микробы различаются по целому ряду признаков.

1. По форме живой бактериальной клетки:
   • шаровидные кокки;
   • палочковидные;
   • извитые, подразделяются на вибрионы и спирохеты.
2. По способу перемещения организма в пространстве:
   • без жгутиков (хаотичное движение подобное броуновскому);
   • при помощи жгутиков (количество варьируется от одного до множества по всему периметру).
3. По особенностям метаболизма представителей царства бактерий:
   • синтез необходимых веществ из неорганики – автотрофы;
   • переработка органики – гетеротрофы.
4. По способу получения энергии:
   • дыхание (аэробные и анаэробные микроорганизмы);
   • брожение;
   • фотосинтез (бескислородный и кислородный).

Особенности взаимоотношений микробов и вирусов – представителей одноименных царств

Надцарство прокариотов объединяет два царства – бактерий и вирусов, которые имеют намного больше отличий, чем общих черт. К примеру, если бактерии синтезируют все необходимые для жизнеобеспечения вещества, то вирусы вообще не способны к синтезу белка. Они даже не могут воспроизводить себе подобных самостоятельно, а только внедрившись в чужую клетку.

Вирусы блокируют ДНК хозяина клетки и подменяют ее своей – в результате захваченная клетка производит копии внедрившегося вируса, что обычно приводит к ее гибели.

На современном этапе развития главная цель, стоящая перед школьным образованием, и в том числе перед биологическим, - подготовка культурного, высокообразованного человека, творческой личности. Решение этой глобальной задачи направлено на возрождение духовных, нравственных традиций, приобщение учеников к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества, формирование нового стиля мышления - биоцентрического, без которого невозможно сохранение жизни в биосфере.

Биология вносит существенный вклад в формирование у школьников научной картины мира, здорового образа жизни, гигиенических норм и правил, экологической грамотности; в подготовку молодежи к трудовой деятельности в области медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, рационального природопользования и охраны природы. (3,6)

Содержание биологического образования включает знания об уровне организации и эволюции живой природы; биоразнообразии; обмене веществ и превращении энергии; размножении и индивидуальном развитии организмов, их связях со средой обитания и приспособленности к ней; об организме, его биологической природе и социальной сущности; санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни. (4,6)

Реализация этих задач осуществляется через программы и учебно-методические образования. В настоящее время существует несколько учебно-методических комплектов по биологии. Учитель может выбрать один из них с учетом особенностей регионов, уровня подготовки учащихся, специализации обучения в школе.

Именно от выбора программы зависит, в какой последовательности и как глубоко учащиеся будут изучать материал.

По программе Сивоглазова В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. в книге для учителя «Биология: общие закономерности» тема «Биогеохимическая деятельность микроорганизмов» не рассматривается как самостоятельная на отдельном уроке, а является составной частью других тем. Например, на уроке по теме «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» изучаются такие вопросы, как участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле; роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле, а также участие бактерий в круговороте важнейших элементов. На уроке по теме «Круговорот веществ в природе» наряду с другими вопросами рассматривается деятельность азотфиксирующих бактерий, благодаря которым атмосферный азот включается в круговорот, а также рассматривается деятельность микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, серы.

Рассмотрим эти уроки более подробно.

ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТ В БИОЦЕНОЗАХ, ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ»

Опорные точки урока

Бактерии как примитивные формы жизни, обитающие повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах, во всех географических областях Земли

Участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле

Роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле

Участие бактерий в круговороте важнейших элементов

Болезнетворные бактерии, их роль в дикой природе и в цивилизованном обществе

Бактерии и пищевая промышленность

Роль бактерии в земледелии

Цианеи (сине-зеленые) -- наиболее древние из организмов, содержащих хлорофилл

Индикаторная роль цианей (сине-зеленых) как показателей степени загрязнения водоемов.

Задачи:

1. Охарактеризовать все возможные среды обитания прокариот на нашей планете.

2. Обосновать «вездесущность» бактерий и цианей (сине-зеленых) особенностями их строения, физиологических процессов и жизненных циклов.

3. Сформировать знания учащихся о важной экологической роли прокариот.

Ответьте на вопросы. Выполните задания:

1. Какое строение имеет бактериальная клетка?

2. Охарактеризуйте половой процесс бактерий.

3. На основании каких признаков, присущих сине-зеленым, их можно отнести к прокариотам?

4. Заполните схему, раскрывающую роль бактерий в природе и в жизни человека.

Роль бактерий в природе и в жизни человека

1..... 3..... 5.....

Колоссальную роль в биосфере играют бактерии, заселившие гидросферу, атмосферу в наибольшей степени, - литосферу. Быстрота их размножения и жизнедеятельность влияет на круговорот веществ в биосфере.

Основные положения

1. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Главную роль в этом процессе играют бактерии гниения.

2. Прокариоты в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью. По способу питания и использованию энергии различают несколько групп бактерии.

3. Приспособленность каждой группы бактерий к особым условиям среды (узкая специализация жизнедеятельности) приводит к тому, что одни бактерии сменяются другими в одной и той же среде. Например, в почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту. Величайший процесс в биосфере, осуществляемый бактериями, -- разложение при гниении всех мертвых тел всех обитателей Земли.

Справка

Вода, в 1 мл которой содержится 10 бактерий, остается на вид прозрачной, не замутненной.

Вопрос для размышления . Почему Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы»?

Вопросы и задания для повторения.

1. Под действием каких организмов происходит полное разложение органического вещества отмерших особей на нашей планете?

2. Влияние каких экологических факторов может способствовать уничтожению бактерий?

3. Почему загрязнение почвы нефтепродуктами резко отрицательно скажется на состоянии всего биогеоценоза?

4. Почему бактерии относятся к группе: редуцентов в любом биогеоценозе?

5. Каким образом болезнетворные бактерии могут влиять на состояние макроорганизма (хозяина)?

6. В каких случаях в водоемах может наблюдаться массовое размножение синезелёных? К чему это может привести?

Информация для учителя

Бактерии и цианеи (синезеленые) распространены повсюду. Споры бактерий залетают на высоту 20 км, анаэробные бактерии проникают в земную кору на глубину свыше 3 км.

Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -- 253°С. В одном грамме бактерий свыше 600 млрд. особей. Количество бактерий в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов.

Дополнительное задание

Напишите реферат на тему: «Неделя без бактерий на Земле».

Ответ от КоШкА[гуру]
Прокариоты иным образом осуществляют фотосинтез, нежели растения. Бактерии используют в этом процессе пигмент бактериохлорин
и не выделяют кислород в окружающую среду. Фотоавтотрофные архебактерии осуществляют фотосинтез при помощи бактериородопсина, а цианобактерии помимо хлорофилла имеют еще дополнительно два других пигмента: фикоцианин и фикоэритрин. Указанные факты показывают, что природа предусмотрела для реализации синтеза первичного органического вещества несколько пигментов, которые существенно расширяют спектральный состав излучения, доступного для фотосинтеза. Среди прокариот значительно распространен хемосинтез. Кроме того, среди бактериальных организмов имеются азотофиксирующие формы: это единственная на нашей планете группа живых организмов, которые способны усваивать азот непосредственно из атмосферного воздуха и таким образом вовлекать молекулярный азот в биологический цикл.
Бактерии и синезеленые включают в состав органического вещества до 90% всего входящего в биогенный цикл азота; оставшиеся же 10% азота связываются грозовыми электрическими разрядами. Из сказанного следует, что важнейшей функцией прокариот в биосфере является вовлечение в круговорот элементов из косной (неживой) природы.
В то же время прокариоты имеют еще и другую важнейшую функцию, прямо противоположную первой: возвращение неорганических веществ в окружающую среду путем разрушения (минерализации) органических соединений. Гетеротрофные бактерии функционируют не только в почве и воде, но и в кишечнике очень многих животных, где они интенсивно воздействуют переводу сложных соединений углеводов в более простые формы.
На уровне биосферы в целом прокариоты, в первую очередь бактерии, обладают еще одной очень важной функцией - концентрационной. Исследованиями установлено, что микроорганизмы способны активно извлекать из окружающей среды определенные элементы даже при крайне низких их концентрациях. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов содержание железа, ванадия, марганца и ряда других в сотни раз выше, чем в окружающей их среде. Деятельностью бактерий собственно и созданы естественные месторождения этих элементов.
Свойства и функции прокариот настолько разнообразны, что в принципе они способны создавать устойчиво функционирующие свойственные (т. е. только при своем участии) экосистемы. Недаром в истории жизни на Земле почти 2 млрд. лет она и была представлена прокариотами. "Именно цианобактерии первыми заселили атолл Бикини после ядерного взрыва и остров Суррей, возникший в 1963 году в результате извержения подводного вулкана южнее Исландии. Высокая устойчивость к внешним воздействиям (ряд видов прокариот выдерживают температуру выше 100° С, кислую среду с рН около 1, соленость с содержанием в растворе 20-30% галита NaCl) превращает эту группу в представителей живого вещества в самых экстремальных условиях" (Шилов И. А. , 2000, с. 56)
еще смотри тут:
ссылка

Биосфера – это область распространения жизни на Земле как целостной, активной и динамичной системы, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, практически всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Целостное учение о биосфере и протекающих в ней процессах было создано и развито в 30-х годах акад. В.И. Вернадским. Совокупность живых организмов – «живое вещество».

Биосфера возникла с появлением жизни на Земле.

3,6 – 3,8 млрд. лет – жизненный возраст биосферы.

10 16 кг – масса биосферы

Эволюция биосферы.

появление простейших клеток-прокариотов;

появление значительно более высокоорганизованных клеток-эукариотов;

объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

появление организмов с твердыми скелетами, открывшее путь к образованию высших животных;

возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как центра сбора, переработки, хранения информации и управления на ее основе функционированием и поведением организмов;

формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека, открывшего эру становления на Земле разума. В истории Земли был период чисто геологической эволюции, его сменил период геолого-биологической эволюции, а с появлением человека открылся период психогенеза – духовной эволюции.

Роль организмов в эволюции биосферы.

1. криптозой

архей (3,6 – 2,6 млрд лет тому назад)

господство одноклеточных(сине-зеленые водоросли, прокариоты)

протерозой (2,6млрд. – 600 млн. л. т. н.)

низшие формы растений, колонии организмов, эукариоты

возникновение фотосинтеза привело к накоплению в воде и атмосфере свободного кислорода, благодаря чему возник и начал развиваться процесс аэробного дыхания – одна из основ прогрессивной эволюции живых организмов Земли.

Появление первых живых систем

Возникновение механизма репликации

Формирование клетки(мембрана)

Поверхностный слой водоемов – зарождение жизни (планктон, бактерии)

2. фанерозой

2.1 палеозой

2.1.1 кембрий(680 млн. л. т. н.)

2.1.2 ордовик(490 млн. л. т. н.)

процветание всех отделов водорослей и морских беспозвоночных. Наиболее распространены трилобиты.

2.1.3 силур(440 млн. л. т. н.)

выход растений на сушу – появление псилофитов. Появление первых наземных беспозвоночных; в морях – первых позвоночных (бесчелюстных щитковых).

2.1.4 девон(400 млн. л. т. н.)

папортникообразные, первые земноводные – стегоцефалы.

2.1.5 карбон(350 млн. л. т. н.)

расцвет земноводных, появление первых пресмыкающихся, первые крылатые насекомые, пауки, скорпионы.

2.1.6 пермь(280 – 230 млн. л. т. н.)

2.2 мезозой

2.2.1 триас(230 млн. л. т. н.)

2.2.2 юрский(190 млн. л. т. н.)

2.2.3 меловой(65-70 млн. л. т. н.)

распространение покрытосеменных растений, широкое распространение насекомых; постепенное вымирание рептилий(динозавров)

2.3 кайнозой

2.3.1 палеогеновый(60 млн. л. т. н.)

появление парапитеков и дриопитеков

2.3.2 неогеновый(25 млн. л. т. н.)

современные семейства млекопитающих, господство покрытосеменных растений

2.3.3 антропогеновый(2,5 млн. л. т. н.)

появление и развитие человека

Известковые скелеты беспозвоночных образовали осадочные породы(мел, известняк). Отмирание сине-зеленых и красных водорослей способствовало отложению кальция. Некоторые виды водорослей и губок обусловили накопление кремнезема. Каменный уголь образовался из растительных остатков, нефть – из планктона древних морей и других водоемов.

В процессе эволюции живые организмы обособлялись от непосредственной зависимости от среды. Первые организмы(бактерии, водоросли были как бы погружены в питательную среду). Постепенно появились многоклеточные организмы, менее зависимые от изменения внешней среды и имеющие свою внутреннюю среду. Эти многоклеточные организмы обладают системами органов, регулирующими жизненные процессы. Через нервную систему осуществляется связь организма с внешней средой.

Биоценоз. Деревья и травы, образующие лес, и обитающие в нем насекомые, а также разнообразные грибы, бактерии и водоросли, живущие в почве, - все объединены между собой круговоротом веществ и энергии, который осуществляется через пищевые и другие связи. Растительное сообщество вместе с обитателями образуют биоценоз. Биоценозы имеют определенный видовой состав и биомассу – общее количество живого органического вещества, выраженное в единицах массы. Биоценозы существуют в неразрывной связи с абиотической средой.

Популяция. Естественная совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида, которые длительно существуют на относительно обособленной территории, называют популяцией. Популяции имеют сложную структуру по полу и возрасту, различны по занимаемой площади и числу особей. Численность популяции может резко колебаться по сезонам и годам. Популяция, хотя и обладает потенциальной возможностью неограниченного увеличения численности, обычно насчитывает столько особей, сколько их может прокормиться на занимаемой территории. Например: годы, урожайные для хвойных, отличаются высокой численностью кедровок, белок и соболей, питающихся их семенами.

Главный фактор, определяющий единство популяции и ее обособленность от других, - свободное скрещивание особей. Отсюда большое сходство особей внутри одной популяции по сравнению с особями других популяций. Обособленность популяций поддерживается географической (горы, реки, пустыни) и биологической (разные сроки цветения или спаривания, половая несовместимость и др.) изоляцией. В популяции происходят все первичные эволюционные процессы, это основная единица эволюции.

Биосфера – единый живой организм.

Многообразие видов живых организмов. Коэволюция – взаимное развитие видов.

Постепенные изменения сменялись резким исчезновением одних видов и расцветом других.

Общая тенденция: из основного «древа жизни» развитие многообразия организмов.

Главный элемент – популяция (изолирование за счет физико-биологических условий)

взаимное приспособление (симбиоз)

живые организмы:

Продуценты (растения, грибы) «производители»

Консументы (животные, человек, некоторые виды растений) «потребители»

Редуценты (бактерии, грибы) разлагают органическое вещество до неорганического

круговороты органического вещества.

6. В биосфере постоянно идут круговороты веществ. (хим. и др.) ; обмен энергией.

На Земле ежегодно производится и разрушается 10 12 т живого вещества. Такой интенсивный кругооборот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость и целостность, связан с жизнедеятельностью всей биомассы планеты. В отличие от мертвой материи живое вещество способно к аккумулированию энергии, к размножению и обладает огромной скоростью реакций.

Последние 600 млн. лет, с начала палеозойской эры, характер основных круговоротов существенно не менялся. Шло накопление кислорода, связывание азота, осаждение кальция, накопление фосфора и т. д. Менялись лишь скорости этих процессов. Стабильное состояние биосферы в первую очередь обусловлено деятельностью самого живого вещества. Жизнь на Земле невозможна без круговорота веществ.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru