Энергетика экосистем

Мы проследили два основных пути превращения кинетической энергии солнечного света. (Рис. 1.) Первый путь - путь прямого превращения в энергию теплового излучения. И второй - путь поглощения солнечного света фотосинтезирующими организмами с продуцированием органического вещества. (Рис. 1.)

   пути превращения энергии в экосистеме                                 Рис.1

 

 

кинетическая энергия солнечнечного  света

количественно

тепловая энергия

 

 

Продуценты (растения)
кинетическая энергия солнечнечного  света	неколичественно	потенциальная энергия органических соединений, синтезированных зелеными растениями
	количественно	¯ тепловая энергия

 

 

 

Консументы (травоядные, хищники)
потенциальная энергия органических соединений, синтезированных зелеными растениями	неколичественно	потенциальная энергия собственной  протоплазмы ¯
	количественно	тепловая энергия

 

 

Схема показывает, что несамопроизвольные процессы, протекающие  в биологических системах, возможны только благодаря параллельно происходящему  в них рассеянию энергии в  самопроизвольных процессах.

Э.Шредингер  (1945 г.) тоже считал особенностью живых систем их неуравновешенность с окружающей средой, которая поддерживается непрерывным обменом открытой живой системы с окружающий средой едой, питьем, дыханием и т.д. Но обмен сам по себе ничего дать не может. Любой атом азота, кислорода, серы и т.п. также хорош, как и любой другой такого же рода. Может быть, целью обмена является поглощение энергии. Но ведь в зрелом организме содержание материи также постоянно, как и содержание энергии поэтому замена одного джоуля другим ничего не меняет. Более того, потребление пищи (энергии) взрослым организмом, как правило, значительно превышает потребности молодого, которому нужно интенсивно синтезировать собственную протоплазму. Значит, постоянный приток пищи необходим живым системам не только для накопления энергии на черный день, либо для построения организма, т.е. для синтеза органических соединений, характерных для данного вида, и главным образом не для этого. Чтобы разобраться в этой проблеме рассмотрим, а как ведут себя неживые неравновесные системы. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится. В результате трения, теплопроводности, химических реакций и других самопроизвольных процессов потенциалы выровняются, система в целом угаснет и превратится в инертную массу материи, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии. (Хороший пример - растворение кристалла поваренной соли. На последнем примере удобно показать, что происходит с энтропией в самопроизвольных процессах. Кристалл - упорядоченная ионная структура, где каждый ион занимает определенное место в кристаллической решетке; при растворении эта структура нарушается, происходит ее разупорядочение, т.е. энтропия увеличивается).

Таким образом, все, что происходит в природе, ведет  к увеличению энтропии в той части  мира, где это происходит, включая  живые системы. Последние тоже непрерывно увеличивают свою энтропию, то есть производят положительную энтропию, и приближаются к опасному состоянию  максимальной энтропии - смерти. Следовательно, неравновесное состояние живых систем поддерживается за счет извлечения ими из окружающей среды отрицательной энтропии - негоэнтропии. Назначение обмена - освободиться от производимой положительной энтропии и извлечь отрицательную. Но чем выше энтропия, тем больше беспорядок, и наоборот. Поэтому извлечение негоэнтропии есть "извлечение порядка", повышение упорядоченности системы, организма.

Есть два различных механизма, производящих упорядоченные явления: статический, создающий порядок из беспорядка; и механизм, создающий порядок из порядка низшего уровня. Закон сохранения энергии ничего не дает для их объяснения. Видимо, его надо искать на основе второго закона. Известно, что высшие животные питаются хорошо упорядоченными органическими соединениями. Использовав упорядоченность этих продуктов, животные возвращают в окружающую среду вещества в очень деградировавшей, неупорядоченной форме, там они усваиваются растениями. Для последних же мощным средством выработки отрицательной энтропии является солнечный свет, с помощью которого в хлорофилле происходит повышение упорядоченности деградировавших веществ - фотосинтез, и цикл повторяется. Это единственный на Земле естественный процесс, в котором энтропия уменьшается - за счет непрерывного рассеяния солнечной энергии, которая достается экосистемам даром.

Таким образом, важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом - способность создавать  и поддерживать высокую степень  внутренней упорядоченности, то есть неуравновешенное состояние с низкой энтропией (с  окружающей средой, но неустойчивое равновесие для самого индивида). Для поддержания  внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре  выше абсолютного нуля, когда  существует тепловое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по откачиванию "неупорядоченности". Эта работа предполагает постоянно действующий источник энергии и наличие хорошо развитых "диссипативных структур" у самой системы. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой концентрированной энергии (например, энергии света, горючего, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Дыхание высокоупорядоченной биомассы можно рассматривать как диссипативную структуру экосистемы. Это затрата энергии на поддержание жизнедеятельности.

 

РЕЗЮМЕ К ГЛАВЕ 1

В данной главе мы рассмотрели главные понятия данной темы, такие как «энергия» и «экосистема», что позволит нам в дальнейшем безпроблемно ими оперировать, также кратко выделили основные части экосистемы, речь о которых более подробно пойдет в главе 3 при рассмотрении трофических уровней и цепей. Во 2 разделе данной главы речь шла о законах, которым подчиняется энергия и о применении их к экологии - первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново и второй закон термодинамики, или закон энтропии. Таким образом, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики.

 

ГЛАВА 2 ПОСТУПЛЕНИЕ, ДВИЖЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

РАЗДЕЛ 1 СОЛНЦЕ КАК ПЕРВОИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Солнце — практически единственный исходный источник энергии для экосистем. Из того количества солнечной энергии, которое достигает Земли, примерно 40% сразу же отражается облаками, пылью в атмосфере и поверхностью планеты, не давая никакого эффекта. Еще 15% поглощается и превращается в тепловую энергию атмосферой, главным образом озоном в стратосфере и парами воды. Озоновый экран поглощает практически все коротковолновые ультрафиолетовые лучи, что очень важно, поскольку они вредны для живого. Оставшиеся 45% энергии «эффективно» достигают поверхности Земли. В среднем это соответствует примерно 5 • 106 кДж м^-2 год^-1, но в каждом конкретном месте количество получаемой энергии зависит от географической широты, климата и ориентации участка относительно сторон горизонта (экспозиции). Лишь менее половины падающих на планету лучей относятся к видимой части спектра, т. е. к фотосинтетически активной радиации (ФАР).Однако даже при оптимальных условиях только около 5% поступающей солнечной энергии (10% ФАР) используется в процессе фотосинтеза и запасается в валовой первичной продукции. Так, в среднем на планете фиксируется в органических веществах лишь 0,1% падающей на нее солнечной энергии. Наземные экосистемы, занимающие 30% площади Земли, улавливают половину этого количества. (Рис.2.)

поток солнечной  энергии на Земле и ее трансформации                          Рис.2

 

 

 

 

 

 

 

 

Одним из основных принципов функционирования экосистем  является то, что они существуют за счет незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Дадим более детальное описание каждой из перечисленных характеристик солнечной энергии.

1. Избыток. Растения используют около 0,5% ее количества, достигающего  Земли. Если бы люди существовали только за счет солнечной энергии, то они бы использовали еще меньшую ее часть. Следовательно, ее поступающего на землю количества достаточно для удовлетворения потребностей человечества, а так как солнечная энергия в конце концов превращается в тепло, то увеличение ее использования не должно оказывать влияния на динамику биосферы.

2. Чистота. Солнечная энергия — «чистая», хотя ядерные реакции, идущие в недрах Солнца и служащие источником ею энергии, и сопровождаются радиоактивным загрязнением, все оно остается в 150 млн км от Земли. В этом ее отличие от энергии, получаемой путем сжигания ископаемого топлива или на атомных электростанциях.

3. Постоянство. Солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом, безграничном количестве.

4. Вечность Ученые считают, что Солнце через несколько миллиардов лет погаснет. Однако для нас это не имеет практического значения, так как люди, по современным данным, существуют только около 3 млн лет. Это всего 0,3% миллиарда. Отсюда, если даже через 1 млрд лет жизнь на Земле станет невозможной, у человечества в запасе еще 99,7% этого срока, или каждые 100 лет он будет уменьшаться всего на 0',00001 %.

Изучая поток  энергии в экосистеме, т. е. ее энергетику, пользуются соответствующими физическими единицами. В системе СИ количество энергии измеряют в джоулях (Дж), но до сих пор часто употребляются калории. Определение этих единиц дано в таблице, где приводится также их запас в некоторых пищевых продуктах и организмах (их энергоемкость, или калорийность), а также суточные потребности в энергии трех групп животных (их энергозатраты).

 

РАЗДЕЛ 2 ТРОФИЧЕСКИЕ  ЦЕПИ И УРОВНИ

Пожалуй, одним  из наиболее известных экологических  понятий является «пищевая (трофическая) цепь» — передача энергии от одних  организмов другим по цепочке, причем находящиеся «выше» в этой цепи поедают  тех, кто находится «ниже», то есть растительноядные питаются растениями, их, в свою очередь, поедают хищники, а этих хищников поедают более крупные хищники. Однако такая упрощенная модель не передает всего многообразия пищевых связей многих реальных сообществ, в которых некоторые виды питаются различными видами растений и животных и на них также охотятся различные виды. Пищевые взаимоотношения между видами внутри сообщества можно рассматривать как своеобразную сложную «паутину» пищевых связей. Такая модель называется трофической паутиной или сетью. На схеме виды можно изобразить в виде точек, а пищевые связи — в виде стрелочек, показывающих, кто кем питается. Хотя такие схемы и не передают многообразия непищевых связей, модель трофической паутины оказывается полезной при обобщении многих аспектов структуры сообщества. Для наглядности приведем схему трофической сети в арктической тундре. (Рис.3.)

Существуют  три основных вида трофических сетей. В первом указаны только пищевые  связи между видами, без указаний на частоту или интенсивность  этих связей. Второй вид дает указания на количество энергии, передаваемой от одного вида другому (это может выражаться в толщине линий). В третьем  показаны наиболее важные взаимоотношения  с точки зрения воздействия на структуру сообщества (измеряемые согласно тому, как они воздействуют на численность  видов). Составлено довольно много схем трофических сетей, в процессе их изучения выявлены основные образцы, выдвинуты  многочисленные теории. Однако в настоящее  время многие экологи полагают, что  некоторые из этих образцов являются отражением несовершенства данных, на которых они основаны. К примеру, некоторые схемы, по всей видимости, изменяются в зависимости от того, сколько представителей сообщества было взято для исследования и каким образом были сгруппированы виды (в практических целях), представляющие одно звено трофической сети.

  схема трофической сети в арктической тундре летом                             Рис.3

Распределение организмов по широким категориальным группам — трофическим уровням, — основанное на их положении в  «пищевой цепи», было предложено как  полезное упрощение при анализе  структуры и функционирования экосистемы с точки зрения энергетического  потока. На нижнем уровне пищевой цепи находятся продуценты, то есть производители  органического вещества (в основном растения), которых поедают растительноядные (первичные консументы, или потребители), а их, в свою очередь, поедают хищники (консументы второго порядка). На небольших  хищников охотятся большие хищники (консументы третьего порядка) и так  далее. (Рис.4.)

Концепцию трофических  уровней подвергали и подвергают критике. Может, это всего лишь констатация очевидного факта, выраженная научным языком? Может, она слишком широка для того, чтобы оказаться полезной при исследованиях? Где в этих пирамидах место всеядных и организмов, питающихся падалью (редуцентов)? Как быть с хищными растениями? Взрослая шотландская куропатка поедает молодые побеги вереска, а ее птенцы питаются насекомыми — получается, что один и тот же вид располагается на разных трофических уровнях. Из-за этих трудностей некоторые экологи считают, что идея трофических уровней ни на что не пригодна и ее следует отбросить как ненужную. Они говорят, что поток энергии и ее трансформацию в экосистемах гораздо лучше изучать при помощи схемы «сети трофических отношений», которая описана нами ранее.

 

отношения между разными уровнями в экосистеме                           Рис.4