Абиотические факторы среды. Космос как экологический фактор

Цели:

1. выявление сущности и значимости влияния космических факторов на живые организмы;
2. развитие умения работы с учебником и другими источниками информации, отбирать материал, делать обобщения и выводы;
3. формирование научного мировоззрения, осуществление экологического воспитания учащихся.

Основные понятия: абиотический фактор, биоритмы, ионизирующее излучение.

Учебные пособия: учебник “Общая биология. 10 – 11 классы” (Авторы Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин В.И.)

Предварительная подготовка: разбить класс на группы, за 1-2 недели дать опережающее задание – подобрать соответствующий материал к отдельным вопросам новой темы.

Тип: Урок ознакомления с новым материалом.

Ход урока

“Органическая жизнь только там и возможна, где имеется свободный доступ космической радиации, ибо жить – это значит пропускать сквозь себя поток космической энергии в кинетической её форме”. А. Л. Чижевский

1. Организационный момент.

2. Актуализация опорных знаний.

– Что называют средой обитания?

– Как отличаются условия существования организмов в каждой из известных сред?

– Как возникла жизнь на Земле?

– Что является движущей силой эволюции органического мира?

– Почему происходили массовые вымирания организмов?

3. Получение новых знаний.

* Представители каждой группы выступают по очереди согласно плану, написанному на доске. Школьники после краткого обсуждения заносят новые данные в таблицу в тетради:

– КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Расстояние от Солнца до центра Галактики составляет 23-28 тыс. световых лет, Солнце расположено ближе к окраине диска, чем к его центру. Наша планета в течение миллиардов лет не испытывала влияния космических катаклизмов. Может быть, именно поэтому на Земле могла зародиться и сохраниться жизнь.

Рисунок 1

Космическое излучение открыл в 1912 г. В. Гесс, установивший, что ионизация воздуха на большой высоте превышает таковую на уровне моря. Он предположил, что причиной этого является поток элементарных частиц очень высокой энергии, попадающих на Землю из мирового пространства. Они взаимодействуют с ядрами атомов атмосферы, в столкновениях с ними теряют энергию, и порождают новую группу элементарных частиц, также обладающих высокой энергией и скоростью.

Спектр падающего на Землю космического излучения включает все диапазоны электромагнитных волн. Однако земная атмосфера полностью пропускает излучение лишь в оптическом диапазоне – от 0.3 мкм до 1.5-2 мкм, и в радиодиапазоне – от 1 мм до 15-30 м (не считая узких полос в ИК-области от 2 до 8 мкм). Размеры “макроскопических” живых организмов на Земле – от 1 мм до 30 м, а размеры бактерий – от 0.4 до 5 мкм.

* Существует гипотеза, что в живых организмах, наряду с обычными органами чувств, имеется специальный орган, обеспечивающий взаимодействие организма с окружающей электромагнитной средой – биоинформационная система (БИС).

Как правило, источники гамма-всплесков находятся за пределами нашей Галактики. По мнению астрофизика Э. Мелотта (Канзасский университет), мощный выброс гамма-излучения, произошедший на относительно малом расстоянии от Земли и направленный в нашу сторону, вызвал гибель большинства тогдашних обитателей планеты. По мнению Д. Скейло и К. Уиллера (Техас), гамма-всплески оказывают заметное влияние на биосферу нашей планеты приблизительно каждые пять миллионов лет.

В ордовикском периоде (начало – 490-500 млн. лет назад, длительность – около 60 млн. лет) господствовали бактерии. Пышного развития достигают сине-зелёные водоросли, известковые зелёные и красные водоросли, обитавшие в тёплых морях на глубине до 50 м.. Судя по остаткам спор и находкам отпечатков стеблей, были представители наземной растительности. Появились бесчелюстные позвоночные. На мелководье жили трилобиты, брахиоподы, иглокожие, мшанки, губки, различные моллюски, кораллы и другие кишечнополостные организмы. Но вскоре произошли глобальные климатические изменения, которые привели к вымиранию 60% видов существовавших тогда морских организмов. (“Ордовикское или ордовикско-силурское вымирание”).

Рисунок 2

Рисунок 3

Гамма-всплески – масштабнейшие космические катастрофы, сопровождающиеся мощными выбросами энергии. Э. Мелотт полагает, что именно такой всплеск стал причиной массового вымирания древних моллюсков и внезапного наступления ледникового периода, который, скорее всего, был вызван внешними причинами. Мощный поток гамма-излучения бомбил атмосферу Земли, расщепляя молекулы кислорода и азота на атомы, которые соединились, образуя токсичный газ бурого цвета – диоксид азота (NO₂). По мнению Мелотта, его образовалось достаточное количество, чтобы перекрыть поступление солнечного света к Земле на 50%. К тому же, NO₂ разрушает озоновый слой, а ультрафиолетовому излучению помехой не является.

Рисунок 4

Догадку Мелотта подтверждают исследования палеонтологов. В частности, специалист по древним членистоногим Брюс Либерман (Канзас) и его коллеги обнаружили, что на конец Ордовикского периода приходится время массового вымирания тех существ, которые проводили большую часть жизни на суше или в планктоне у поверхности мирового океана. Обитатели морских глубин пострадали существенно меньше.

СОЛНЦЕ

Это самый мощный источник различных форм энергии, оказывающих влияние на Землю. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции, в результате которых возникают электромагнитные излучения широкого диапазона. Периодически на поверхности появляются очаги повышенной активности в виде пятен и протуберанцев – результат мощных взрывов, которым сопутствует выброс элементарных частиц.

Непрерывное расширение верхней части солнечной атмосферы сопровождается корпускулярным излучением. Скорость этого расширения по мере удаления от Солнца увеличивается. На расстоянии нескольких десятков солнечных радиусов оно достигает 400 км/с. Этот так называемый спокойный солнечный ветер содержит небольшое количество энергии. Вместе с тем он играет значительную роль в передаче к Земле возмущений, обусловленных явлениями солнечной активности.

В результате воздействия солнечного ветра меняется магнитное поле Земли, в котором в естественных условиях находятся все животные. Эти изменения различны в разные сезоны и максимальны осенью и весной. Магнитное поле Земли оказывает влияние на способность насекомых и птиц ориентироваться в пространстве. Магнитные бури сбивают и суточные ритмы насекомых, ритмы их активности. [4]

Рисунок 5

В начальные периоды существования Земли в атмосфере отсутствовал кислород, и ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 180 до 300 нм беспрепятственно доходило до земной поверхности. Тогда и появились первые вирусы подобных размеров. Возможно, они были первыми переходными строительными элементами при становлении биосферы. Обогащение атмосферы Земли кислородом привело к тому, что атмосфера стала непрозрачна для излучения с длиной волны меньше 300 нм, и вирусы в этих условиях, по мнению многих авторов, должны были бы исчезнуть. Возможно, именно это обстоятельство привело к тому, что вирусы в борьбе за существование “спрятались” внутрь формирующихся клеток и погрузились в анабиоз. При определенных условиях они “оживают” и впрыскивают молекулы ДНК или РНК в клетку, обеспечивая мутагенез. [1]

Активность Солнца по отношению к Земле периодически изменяется. Различают следующие циклы солнечной активности: суточные, годовые, 5-6-летние, 11-летние, 80-

90-летние и многовековые. Периоды максимальной активности приходятся на 7-17 лет, минимальной – на 9-14 лет. Во время солнечных вспышек наблюдаются интенсивные всплески радиоизлучения в определённых диапазонах. В эти же периоды наблюдаются необъяснённые пока массовые миграции животных соответствующих размеров. К таким миграциям может приводить нарушение электромагнитного фона в среде обитания.

Самая мощная солнечная буря за всю историю наблюдений Солнца произошла в 1859 г. – Каррингтоновский шторм – в честь британского астронома-любителя Ричарда Каррингтона (1826–1875), наблюдавшего в ночь с 31 августа на 1 сентября гигантский факел на поверхности Солнца. С тех пор неоднократно подтверждалось, что геомагнитные бури – это реакция магнитного поля земли на солнечный ветер. [3]

В последующие полтора столетия исследования солнечной активности приносили новые подтверждения интенсивных солнечно-земных связей. Широко известны работы советского биолога Александра Леонидовича Чижевского (1897–1964), который, проанализировав статистические данные, обнаружил связь максимумов солнечной активности и массовых катаклизмов на Земле – войн, эпидемий, революций. Отсюда он сделал вывод, что солнечная активность играет ключевую роль и в социальных процессах. Своему открытию Чижевский посвящал не только научные статьи, но и стихи:

ГАЛИЛЕЙ

И вновь и вновь взошли на Солнце пятна,
И омрачились трезвые умы,
И пал престол, и были неотвратны
Голодный мор и ужасы чумы…

…И жизни лик подёрнулся гримасой,
Метался компас, буйствовал народ,
А над Землёй и над людскою массой
Свершало Солнце свой законный ход… (1921)

Рисунок 6

Гелиобиология – раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца на земные организмы. Тесно связана с другими отраслями биологии, с медициной, астрономией и физикой. Основные задачи – выяснить, какие факторы активности Солнца влияют на живые организмы и каковы характер и механизмы этих влияний. Основоположник – советский физик А. Л. Чижевский (его первая работа в этой области вышла в 1915 г.), однако на связь между колебаниями активности Солнца и многими проявлениями жизнедеятельности у обитателей Земли указывали до него шведский учёный С. Аррениус и др.

Часть солнечной энергии достигает атмосферы Земли в виде рассеянной радиации. В северных широтах уровень радиации повышается в апреле – мае, в южных – в марте – апреле, что связано с высотой Солнца и прозрачностью атмосферы. В течение суток максимум радиации приходится на полдень. Исходя из данных о солнечной активности, можно прогнозировать погоду и размножение вредителей на разных участках Земли, и принимать меры. Так, в 1958 г. Н.С.Щербаков предсказал размножение саранчи и её залёт на территорию Туркмении, что позволило быстро ликвидировать последствия. В основе такого массового размножения вредителей лежат изменения климатических факторов, связанных с солнечной активностью. Установлено влияние изменений солнечной активности на рост годичных слоев деревьев и урожайность зерновых.

В эпохи максимума солнечной активности наблюдались наиболее мощные подходы амурской горбуши для нереста. На основании своих исследований динамики природных процессов в зависимости от солнечной активности, Бирман в 1957 г. предсказывал, что в ближайшие 10 лет запасы кеты без применения энергичных мер резко уменьшатся. Действительно, после максимума 1957 г. это произошло. Д.И.Маликов на основании многочисленных экспериментов пришёл к выводу, что от солнечной активности и погоды зависит состояние половой функции производителей и изменчивость живого веса потомства. Анализ данных за последние 200 лет показал следующее:

– приплод кобылок и жеребчиков орловской и русской рысистой пород разный в годы с

разной солнечной активностью;

– в эти годы меняется численность развивающихся на воле соболей со светлой и тёмной окраской. Таким образом, космические факторы оказывают непосредственное влияние на генофонд и многие стороны физиологических функций организма животных.

– Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое лучи способствуют загару – образованию пигмента меланина, который защищает кожу от излишней радиации, обладают способностью вырабатывать витамин D (участвует в обмене фосфора и кальция, необходимый для придания плотности костям и для нормальной деятельности нервной и мышечной систем).

Рисунок 7

Умеренное ультрафиолетовое облучение повышает иммунные свойства кожи и крови, активизирует функции вегетативной нервной системы и желёз внутренней секреции. Это обусловлено повышением ферментативной активности и интенсификацией обмена веществ. Периодическое УФ-облучение организма умеренными дозами приводит к оздоровлению: увеличиваются его адаптивные возможности, повышается умственная и физическая работоспособность. У жителей Севера при продолжительном отсутствии ультрафиолетовых лучей часто развивается солнечное “голодание”, которое снижает приспособляемость организма к окружающей среде.

НО – следует помнить, что при длительном воздействии УФИ появляются ожоги: клетки эпидермиса повреждаются, что ведёт к образованию продуктов клеточного распада, которые всасываются в кровь, отрицательно воздействуя на организм. Продолжительное УФ-облучение может привести к возникновению опухолей кожи и внутренних органов.

– Видимый свет

Атмосфера Земли служит барьером для жёсткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, однако она прозрачна в узком участке электромагнитного спектра. Эту область живые организмы воспринимают как свет.

Видимые лучи Солнца имеют длину волны от 380 до 760 нм. Они создают наибольшую величину освещённости, несмотря на то, что часть их рассеивается или отражается. Биологическое значение световой радиации для человека прежде всего состоит в возможности зрительных восприятий. Световые лучи проникают в тело на глубину около 2,5 см. Одним из важнейших следствий периодического изменения освещенности является создание биологических ритмов. Они способствуют чередованию активной деятельности и восстановительных процессов.

– Биоритмы

Биологические ритмы – это более или менее регулярные изменения характера и интенсивности биологических процессов, которые можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах и в популяциях. Способность к таким изменениям жизнедеятельности передается по наследству и обнаружена практически у всех живых организмов.

Биоритмы подразделяются на физиологические и экологические. Физиологические ритмы, как правило, имеют периоды от долей секунды до нескольких минут (ритмы биения сердца и артериального давления). Период экологических ритмов сравнительно постоянен, закреплен генетически. Экологические ритмы по длительности совпадают с каким-либо естественным ритмом окружающей среды. К ним относятся суточные, сезонные (годовые), приливные и лунные ритмы. Благодаря экологическим ритмам, организм ориентируется во времени и заранее готовится к ожидаемым условиям существования. Естественный механизм, определяющий все ритмы живых организмов, – это смена дня и ночи, света и темноты. Природа снабдила организмы устройством, способным воспринимать световую информацию и преобразовывать её в сигналы, управляющие ритмами организма. [6]

– Инфрадианные ритмы: длительностью больше суток. Примеры: впадение в зимнюю спячку (животные), менструальные циклы у женщин (человек).

– Ультрадианные ритмы: длительностью меньше суток. Примеры: концентрация внимания, изменение болевой чувствительности, процессы выделения и секреции, цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6…8-часового нормального сна у человека.

– Циркадианные (околосуточные) ритмы: врождённые, обусловлены свойствами самого организма. Это видоизменение суточного ритма с периодом 24 часа, имеет наибольшее значение для организма. Понятие ввёл в 1959 г. Халберг. Период циркадианных ритмов длится у растений 23-28 часов, у животных 23-25 часов. ЦР обнаружены у всех представителей животного царства и на всех уровнях организации. Суточным колебаниям оказались подвержены содержания различных веществ в тканях и органах, например, глюкозы, натрия и калия в крови, плазмы и сыворотки в крови, гормонов роста и др., чувствительность организма к разнообразным факторам внешней среды и переносимость функциональных нагрузок. У человека выявлено около 500 функций и процессов, имеющих циркадианную ритмику.

– ЛУНА

Расстояние от Земли до естественного спутника меняется от 356 до 408 тыс. км. в

течение периода обращения Луны, который составляет 27,3 суток. Вследствие влияния Солнца орбита Луны периодически изменяется. Раз в несколько лет бывает, что Луна подходит к перигею в полнолуние, и находится особенно близко к Земле.

Рисунок 8

С Луной связаны приливы и отливы в морях и океанах и другие периодические явления. Воздействие Луны на земные процессы может быть связано с её прохождением в полнолуние через магнитосферный шлейф нашей планеты, что увеличивает амплитуду магнитных пульсаций и возмущенность магнитного поля. Луна вокруг Земли движется по эллиптической орбите. Перигей – ближайшая к Земле точка этой орбиты, а апогей – наиболее удалённая.

* Перигей “суперлуние” – 19 марта 2011 г. расстояние до Луны составило 356 574 км 965 м. Ещё более близкий перигей будет 14 ноября 2016 г. Рекордный “суперперигей” за последние 400 лет произошёл в январе 1912 г. – Луна приблизилась к Земле на 200 км ближе, чем в 2011 г. [5]

Рисунок 9

Лунные ритмы соответствуют по циклу фазам Луны (29.53 суток) или лунным суткам (24.8 часов). Влияют на отлив и прилив морей и океанов. Лунные ритмы хорошо заметны у морских растений и животных (сроки массового размножения мечехвостов, кораллов, кальмаров и т.п.), наблюдаются при культивировании микроорганизмов. Существует зависимость между лунными ритмами и женским половым циклом, который соответствует лунному месяцу. Полагают, что фазы луны сказываются на статистике деторождения. Психологи отмечают, что лунный свет действует на нервно-психическую сферу человека и может вызывать определенные отклонения, особенно в полнолуние.

Рисунок 10

Рисунок 11

4. Первичная проверка усвоения знаний (опрос).

– Какой из космических факторов наиболее важен для растений? животных? человека?

– Является ли воздействие космических факторов на организмы актуальным в наше время?

5. Рефлексия:

1. Узнали ли вы на уроке что-то новое для себя? (оцените по 5-балльной системе)
2. Какие факты вызвали наибольший интерес?
3. Как, по-вашему, имеет ли полученная информация практическое значение?

6. Подведение итогов.

Домашнее задание

п. 17.3.2, 17.3.3.

Источники информации:

1. Малов И.Ф., Фролов В.А. Спектр космического излучения и размеры живых организмов. – “Земля и Вселенная”, 2005. № 3 – с. 62-68. http://lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/bulletin/26/3.1.html
2. Общая методика обучения биологии: таблицы, схемы, рисунки. Сост. Арбузова Е.Н. – Изд-во ОмГПУ, 2006.
3. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни: Земля в объятиях Солнца. Гелиотараксия. – М.: Мысль, 1995.
4. Мизун Ю.В., Мизун Ю.Г. “Тайны будущего” – М.: Вече, 2000. http://solncev.narod.ru/Soln_a10.htm
5. http://www.aptr.ru/photo/cosmos/moon.html
6. http://bioritm.3dn.ru/index/0-11
7. http://fictionbook.ru/author/elena_petrovna_gora/yekologiya_cheloveka/read_online.html? page=7