Основные виды энергии в биосфере. Круговорот веществ и поток энергии в биосфере Потоки энергии в биосфере кратко

Биосфера - это открытая термодинамическая система, которая получает энергию в виде лучистой энергии Солнца и тепловой энергии процессов радиоактивного распада веществ в земной коре и ядре планеты. Радиоактивная энергия, доля которой в энергетическом балансе планеты была значительной на абиотических фазах, сейчас не играет заметной роли в жизни биосферы, и основной источник энергии сегодня - это солнечное излучение. Ежегодно Земля получает от Солнца энергию, которая составляет около 10,5 * 1020 кДж. Большая часть этой энергии отражается от облаков, пыли и земной поверхности (около 34%), нагревает атмосферу, литосферу и Мировой океан, после чего рассеивается в космическом пространстве в виде инфракрасного излучения (42%), расходуется на испарение воды и образование облаков (23 %), на перемещение воздушных масс - образование ветра (около 1%). И только 0,023% солнечной энергии, попадающей на Землю, улавливается продуцентами - высшими растениями, водорослями и фототрофных бактериями - и запасается в процессе фотосинтеза в виде энергии химических связей органических соединений. За год в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т органических веществ, в которых запасается не менее 1,8 * 1017 кДж энергии.

Эта связана энергия далее используется консументами и редуцентами в цепях питания, и за его счет живое вещество выполняет работу - концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, раздробляет и агрегирует неживую вещество. Работа живого вещества сопровождается рассеянием в виде тепла почти всей запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. Лишь доли процента этой «фотосинтетической» энергии не попадают в цепи питания и консервируются в осадочных породах в виде органического вещества торфа, угля, нефти и природного газа.

Итак, в процессе работы, которую осуществляет биосфера, уловленного солнечная энергия трансформируется, то есть идет на выполнение так называемой полезной работы, и рассеивается. Эти два процесса подчиняются двум фундаментальным естественным законам - первом и втором законам термодинамики. Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не может быть ни рожден, ни уничтожена, она может быть только трансформирована из одной формы в другую. Количество энергии при этом не меняется.

В экологических системах происходит много преобразований энергии: лучистая энергия Солнца благодаря фотосинтезу превращается в энергию химических связей органического вещества продуцентов, энергия, запасенная продуцентами, - на энергию, аккумулированную в органическом веществе консументов разных уровней, и т. д. Современное человеческое общество также превращает огромные количества одной энергии на другую. Второй закон термодинамики определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы при переходе энергии из одной формы в другую и дает представление о качестве самой энергии.

Второй закон термодинамики, я считаю, царит среди законов Природы. И если ваша гипотеза противоречит этому закону, я ничем не могу вам помочь. (А. Эддингтон, английский астроном.

Вспомним, что во энергией понимают способность системы совершать работу. Но при любой трансформации энергии лишь часть ее расходуется на выполнение полезной работы. Остальные же безвозвратно рассеивается в виде тепла, т.е. осуществляется пустая работа, связанная с увеличением скорости беспорядочного движения частиц. Чем больший процент энергии расходуется на выполнение полезной работы и, соответственно, чем меньше процент при этом рассеивается в виде тепла, тем выше считается качество исходной энергии. Высококачественная энергия может быть без дополнительных энергетических затрат трансформирована в большее количество других видов энергии, чем низкокачественная.

Энергией низкого качества есть энергия беспорядочного броуновского движения, то есть тепловая. ее нельзя использовать для выполнения полезной работы. Количество энергии низкого качества, непригодной для совершения полезной работы, называют энтропией. Упрощенно энтропия - это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.

Итак, по второму закону термодинамики, любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и низкого качества - тепло - и приводит к росту энтропии.

Снизить энтропию в термодинамически закрытой системе, которая не получает энергии извне, невозможно - ведь вся качественная энергия такой системы в конце концов превращается в низкокачественную, деградирует к теплу. Однако в открытой термодинамической системе возможно противодействовать росту энтропии, используя для этого высококачественную энергию, поступающую извне, и отводя низкокачественную энергию за пределы системы.

Вселенная является закрытой системой, и в нем энтропия постоянно растет. Зато биосфера является открытой системой, которая поддерживает собственный низкий уровень энтропии, используя для этого внешний источник качественной лучистой энергии - Солнце - и рассеивая в космическое пространство низкокачественную тепловую энергию. Поэтому, кроме энтропии физической (энтропии замкнутой системы), в экологии используют понятие «энтропия экологическая» - количество необратимо рассеянной в пространстве тепловой энергии, которая, однако, компенсируется трансформируемой энергией внешнего источника - Солнца.

По словам Ю.Одума, “экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы”.

Жизнь возникает и развивается в потоке энергии, которая частично аккумулируется в круговоротах веществ. В предыдущем разделе были рассмотрены глобальные круговороты веществ, охватывающие всю биосферу в целом. Кроме того, существуют и малые круговороты, характерные для отдельных экосистем. В любом многоклеточном организме также можно выделить несколько круговоротов, необходимых для жизнедеятельности веществ, аналогичных биогеохимическим циклам биосферы. То есть внутрисистемный круговорот веществ - это и есть способ аккумуляции энергии в системе.

Движение энергии в биосфере существенно отличается от движения вещества. Поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии невозможен . Живое вещество увеличивает качество части энергии, аккумулируя ее в своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу, деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

Принципиальная невозможность утилизации тепловой энергии наряду с прогрессирующим ростом количества энергии, высвобождаемого человеком непосредственно на планете (сжигание топлива, расщепление ядра, ядерный синтез и т.п.) есть один из важнейших факторов глобального экологического кризиса.

1.7.1. Основные закономерности движения энергии

Понятие энергии определяется как способность совершать работу. Впервые наиболее полно понятие энергии было исследовано в термодинамике, что отражено в формулировке двух основополагающих законов, описывающих свойства энергии:

1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;

2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние. Потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности 100 %-го перехода одного вида энергии в другой.

Энтропия, или дословно “способность к превращению”, есть величина, определяющая качество и концентрацию энергии S=Q/T.

1.7.2. Физический смысл энтропии

Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот (невозможно смешать в одном объеме горячую воду и холодную, а затем разделить в разные объемы получившуюся в результате смешивания теплую воду снова на горячую и холодную).

|dS 1 | < |dS 2 |

Рис. 1.19. Возрастание суммарной энтропии системы в процессе теплопередачи

То есть если от тела 1 с температурой Т 1 и энтропией S 1 =Q 1 /T 1 отводится к телу 2 с температурой Т 2 (Т 1 >Т 2) и энтропией S 2 =Q 2 /T 2 некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились значительно, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS 1 =dQ/T 1 (здесь dQ<0, следовательно, dS 1 <0), а энтропия тела 2 изменится (увеличится) на величину dS 2 =dQ/T 2 (здесь dQ>0, следовательно, dS 2 >0), причем так как Т 1 >Т 2 , то по абсолютной величине |dS1| < |dS2|, поэтому общая энтропия двух тел S=S 1 +dS 1 +S 2 +dS 2 =S 1 -|dS 1 |+S 2 +|dS 2 | > S 1 +S 2 , то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает (рис. 1.19).

Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и вообще любых процессов преобразования энергии .

В более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S=Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина).

Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством.

1.7.3. Процессы преобразования энергии в живых организмах

Вывод энтропии из организма есть непременное условие его существования. Все процессы жизнедеятельности сопровождаются ростом внутренней энтропии организма DSi>0. Чтобы не погибнуть, клетка должна потребить из окружающей среды отрицательную энтропию DSe<0, что равносильно выводу энтропии из организма. Для этого обычно используется энергия химических реакций. Обычно в этих реакциях разрушаются структуры более сложных молекул, например, молекул белка, жиров или углеводов, получаемых с пищей. Затем эти продукты распада удаляются из организма. Себе организм оставляет разницу энтропии продуктов реакции и энтропии исходных компонентов DSe=Sпрод-Sисх<0. Например, глюкоза окисляется в организме, образуя двуокись углерода и воду (экзотермическая реакция). Продукты реакции, двуокись углерода и вода, удаляются из организма. Высвобожденная в процессе окисления энергия обеспечивает протекание всех физиологических процессов, двигательных функций. Эту часть энергии называют тратами на дыхание (метаболизм ). Участвуя в процессах дыхания энергия постепенно полностью переходит в тепло, которое удаляется из организма в окружающую среду. На дыхание тратится не вся свободная энергия, полученная в процессе окисления. Часть энергии используется на организацию эндотермических реакций синтеза необходимых белков, нуклеиновых кислот, т.е. связывается в сложных молекулярных структурах, идет на строительство и “ремонт” организма, то есть на упорядочение внутренней структуры. Эта энергия, накопленная в веществе организма, называется продукцией. Некоторая доля пищи не усваивается организмом, следовательно из нее не высвобождается энергия. Эта энергия выводится из организма вместе с экскрементами и впоследствии высвобождается из них уже другими организмами.

1.7.4. Трофическая структура экосистем

Движение энергии удобно рассматривать на примере какой-то одной экосистемы. Достаточно крупные экосистемы, такие как биогеоценозы, имеют все промежуточные уровни, которые проходит энергия при движении ее от состояния солнечного света до состояния тепла, которое сначала утилизируется в буферных зонах биосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера), а затем излучается в космическое пространство (в инфракрасной части электромагнитного спектра). Основная функция экосистем – поддержание круговорота веществ в биосфере – базируется на пищевых взаимоотношениях.

Ввиду наличия в своей структуре сложномолекулярных соединений, живой организм может служить пищей для другого организма. При этом его структура подвергается механическому и химическому разрушению. Можно проследить бесчисленные пути движения вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим и т.д. (трава – корова – человек; злаки – насекомые – лягушка – змея - орел). Ряд таких звеньев называется пищевой или трофической цепью (от греческого слова трофе - питание), в которой происходит перенос энергии через ряд организмов путем поедания одних организмов другими (рис. 1.20). Различные уровни этой цепи, т.е. место организма в трофической цепи в зависимости от способа питания, называют трофическими уровнями . Т.е. пищевая (трофическая) цепь – это взаимоотношения между видами различных трофических уровней. Объединение множества цепей питания, их пересечение составляют трофические сети .

Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня (или нескольких предыдущих уровней).

Трофические цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную цепь и детритную цепь.

1.7.4.1. Пастбищная цепь

На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. Они не могут высвобождать энергию путем разрушения органики с предыдущего трофического уровня, поэтому единственным источником энергии для синтеза биоорганики для них является солнечный свет.

В качестве строительного материала, то есть исходных компонентов для синтеза, используются простейшие минеральные и органические вещества, рассеянные в почве и в воздухе. К наиболее важным компонентам относится углекислый газ, являющийся продуктом жизнедеятельности всех организмов планеты. Именно здесь происходит возвращение в круговорот биологического углерода. Так как зеленые растения “никого не едят” и все необходимое для их жизни синтезируют сами с использованием энергии солнца, их называют автотрофами (“самопитающимися”).

Рис. 1.20. Трофическая структура экосистемы:

Поток энергии

Поток вещества

Все остальные уровни трофической цепи существуют за счет энергии, накопленной в органическом веществе зеленых растений. Поэтому по отношению к трофической цепи растения называют продуцентами , то есть создающими первичную продукцию. Организмы на всех остальных уровнях трофической цепи называются консументами (потребителями) первого, второго и т.д. порядка в зависимости от занимаемого ими трофического уровня. Первичные консументы питаются непосредственно продуцентами. Вторичные - первичными консументами, и т.д. Например, человек, питающийся овощами, относится к первичным консументам. Человек, который ест говядину – вторичный консумент.

Так как эти организмы не могут сами синтезировать органическое вещество и вынуждены питаться другими организмами, их называют гетеротрофами (питающийся другими).

На втором уровне пастбищной цепи стоят обычно фитофаги, то есть животные, питающиеся растениями, в частности травоядные. Третий и более высокий уровни занимают хищники или зоофаги (питающиеся животными). Иногда эта цепочка может быть достаточно длинной, особенно в водоемах.

1.7.4.2. Детритная цепь

Любая пастбищная цепь переходит в детритную цепь. Термин детрит означает “продукт распада”. В экологии детритом называют органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения.

В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении вдоль пищевой цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Уровень животных-падальщиков можно считать началом детритной цепи, а на следующем уровне могут стоять насекомые-могильщики. Всех консументов, участвующих в процессе разложения детрита, называют детритофагами . Но самыми типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы. Этих консументов выделяют в особую группу – редуценты (возвращающие). Они питаются мертвым органическим веществом и при этом разлагают его до простейших веществ и биогенов (минеральных компонентов). Затем эти вещества в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений в вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.

Пастбищная и детритная цепи в разных экосистемах присутствуют по-разному. Например, в лесу лишь небольшая часть зелени поступает в пищу консументам. Большая часть отмерших растений и их фрагментов поступает непосредственно к редуцентам. То есть лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, то есть уходят из данной экосистемы. В таких экосистемах, как говорят, преобладают пастбищные пищевые цепи, или цепи выедания.

Но любая экосистема с необходимостью включает в себя представителей всех трех принципиальных экологических групп организмов – продуцентов, консументов и редуцентов.

1.7.4.3. Роль консументов в экосистемах

Консументы являются не просто потребителями органического вещества, они выполняют важные функции в экосистеме: возвращают вещество в круговорот, увеличивают скорость движения вещества и энергии и их количество в экосистеме, являются основными звеньями механизмов гомеостаза экосистем, т.е. участвуют в процессах саморегуляции экосистемы, а значит, обеспечивают ее устойчивость.

1.7.5. Правила 1 % и 10 %

С одного трофического уровня на другой передается не вся энергия данного уровня, а только та, которая накапливается в структуре организмов данного уровня. Основная часть энергии, усвоенной консументами с пищей, тратится на их жизнеобеспечение. В сумме с неусвоенной пищей (экскременты) это составляет в среднем порядка 90 % от потребленной энергии.

Следовательно, энергия, накопленная в структурах организмов, а значит, передаваемая на следующий трофический уровень, в среднем составляет около 10 % от энергии, потребленной с пищей. Эта закономерность называется “правилом десяти процентов” (правило Линдемана).

Фотоактивная радиация, используемая при фотосинтезе, составляет порядка 40 % от поступившей солнечной радиации. Из нее растения связывают не более 0,5 - 1% энергии. Только эта энергия, т.е. 1 % от дошедшей до Земли энергии солнца, накапливается в органическом веществе растений, может затем передаваться по пищевым цепям.

Эту закономерность называют “правилом одного процента”: для биосферы в целом доля возможного потребления чистой первичной продукции (на уровне консументов высших порядков) не превышает 1%.

Из правила 1 % следует важный вывод для деятельности человека: увеличение производства энергии до 1 % от солнечной радиации может изменить общепланетарную температуру на 5 - 9 °С с непредсказуемыми последствиями, следовательно, энергия, вырабатываемая человеком не должна превышать 1 % от поступающей на Землю солнечной энергии. В настоящее время объем энергии, вырабатываемой человеком, составляет 1 % от энергии, перерабатываемой в процессе фотосинтеза. Из ограниченности количества поступающей энергии и правила десяти процентов также следует, что все трофические цепи могут иметь ограниченное количество уровней, как правило, не больше 4 - 5. Количество живого вещества на каждом следующем уровне примерно на порядок меньше, чем на предыдущем.

Существует и еще одно следствие, очень важное для человека: с энергетической точки зрения потребление животной продукции, особенно с дальних уровней цепей питания, нецелесообразно. Чем короче цепочка, по которой идет передача энергии, тем меньше потери.

Особенно велики потери энергии при переходе от растений к травоядным животным. Поэтому с точки зрения роста народонаселения планеты энергетически наиболее выгодным является вегетарианство.

При нормальном питании взрослый человек потребляет 80-100 кг мяса в год. При таком рационе уже невозможно обеспечить животной пищей 6 миллиардов людей планеты. При минимальном расходе мяса можно прокормить около 8 миллиардов людей. Переход всех людей на вегетарианство может обеспечить пищей приблизительно 15 миллиардов людей.

1.7.6. Изменение качества и количества энергии

в трофической цепи

При движении вдоль пастбищной пищевой цепи от одного уровня к другому вместе с уменьшением количества живого вещества на каждом уровне увеличивается качество энергии, запасенной в этом веществе.

Для того, чтобы образовать 1 ккал биомассы хищника, требуется около 10000 ккал энергии солнечного света, или 10 ккал биомассы травоядных животных в энергетическом эквиваленте. Соответственно качество энергии, накопленной в биомассе организмов более высокого уровня трофической цепи, т.е. хищников, в 10 раз выше, чем в биомассе организмов предыдущего трофического уровня, т.е. травоядных.

Чтобы получить энергию более высокого качества, требуется пройти цепь превращений энергии. С каждым звеном этой цепи качество энергии будет повышаться, но за счет уменьшения количества энергии, которое удалось сконцентрировать при преобразовании. Например, мы можем получить электроэнергию, сжигая уголь. Но на каждые 500 ккал энергии, выделившейся при сжигании угля, мы сможем получить только 125 ккал электроэнергии. А на формирование 500 ккал угля в свое время было затрачено около 1000000 ккал солнечной энергии. То есть солнечная энергия обладает сравнительно низким качеством. Чтобы солнечный свет выполнял ту же работу, которая производится сейчас углем или нефтью, нужно сконцентрировать ее в 2000 раз. На концентрацию энергии в угле и нефти потребовались миллионы лет. Поэтому непосредственное использование человеком солнечной энергии с небольшими потерями вряд ли возможно.

1.7.7. Особенности энергетических потребностей человека

В настоящее время наиболее мощные управляющие функции в биосфере несет на себе человек. Мы должны стоять в пищевой цепи после всех хищников. Однако мы вовсе не питаемся хищниками (разве что только некоторыми хищными рыбами), а едим мясо в основном растительноядных животных. Кроме того, большую долю в нашем рационе составляет растительная пища. Но тем не менее именно мы наиболее сильно влияем на биосферу.

Особенность человеческой цивилизации в том, что человек постепенно захватывает в природе все большее количество экологических ниш. Мы давно перестали довольствоваться выделенным нам природой местом в трофической системе биосферы.

Мы довольно долго вытесняли хищников, обрекая их почти на поголовное истребление.

Природные редуценты не справляются с антропогенным загрязнением природы, поэтому мы вынуждены осваивать и их трофические уровни. Человек использует огонь для уничтожения мусора, для разрушения отходов используются и более сложные технологии, т.е. в данном случае человечество выступает в роли деструкторов, редуцентов, возвращая вещества в круговорот жизни.

Проводятся активные исследования способов синтеза искусственной пищи, то есть человек претендует и на трофический уровень автотрофов.

Мы ставим себя во все звенья механизмов гомеостаза. Следствием этих процессов является обеднение видового разнообразия жизни на планете.

Если исходить из строения тела, то человек вообще не является хищником. В трофической сети, мы занимаем место растительноядных животных . Почему же наше управляющее воздействие на природу превышает воздействие хищников?

Дело в том, что энергетические потребности человека в большей своей части вынесены за пределы человеческого тела в сферу его производственной деятельности.

Человек так же, как и все другие живые организмы, следует принципу концентрации энергии, который прослеживается в пищевых цепях, но для этого он использует не свой организм, а создаваемые им объекты. Сжигая ископаемое топливо, концентрируя тем самым высвободившуюся тепловую энергию и преобразуя ее в электроэнергию, мы упорядочиваем объекты материального мира, придавая им форму жилых домов, машин, произведений искусства и т.п. Но за все это приходится платить еще большим количеством разрушения в окружающем нас мире, поскольку правило десяти процентов распространяется и на деятельность человека.

Наши потребности не ограничиваются, как у других биологических видов, первичными потребностями – в пище как источнике энергии и вещества для организма, в воздухе и питьевой воде определенного объема и состава и т.д. Наши вторичные (надбиологические) потребности распространяются на месторождения полезных ископаемых, массивы лесов, ландшафты, моря, т.е. практически на всю природную среду планеты. В этом главная особенность энергетических потребностей человека.

ª Вопросы для самопроверки

1. В чем отличие в процессах движения энергии и вещества в экосистемах?

2. Сформулируйте 1-й и 2-й закон термодинамики.

3. Что такое энтропия?

4. Объясните, почему создание упорядоченных структур в живых организмах не противоречит 2-му закону термодинамики.

5. Объясните, почему круговорот энергии в биосфере невозможен.

6. Каким образом используется энергия, поступающая в организм?

7. Дайте определение трофической цепи и трофического уровня.

8. Какие части трофической цепи вы можете выделить?

9. Перечислите элементы трофической цепи и назовите их функции.

10. Опишите элементы пастбищной трофической цепи.

11. Приведите пример пастбищной цепи.

12. Опишите элементы детритной трофической цепи.

13. Приведите пример детритной цепи.

14. В чем отличие качества энергии на разных трофических уровнях?

15. Какая часть энергии солнца идет на образование биомассы продуцентов?

16. Сформулируйте правило 10 %.

17. Как отличается количество биомассы на разных трофических уровнях?

18. Какая часть энергии солнца связывается растениями?

19. Приведите пример экосистемы с преобладанием пастбищной, детритной трофических цепей, с отсутствием пастбищной цепи.

20. В чем особенности энергетических потребностей человека?

21. Почему потребление животной продукции с дальних уровней цепей питания энергетически невыгодно?

22. Какой процент от энергии, перерабатываемой в процессе фотосинтеза, составляет энергия, вырабатываемая человеком?

23. Какова последовательность передачи энергии в экосистеме через элементы трофической цепи?

&? Вопросы для самостоятельного изучения

1. Что делает биосферу похожей на вечный двигатель? Какие изменения в ее работу вносит человек?

2. Почему в живой природе необходимы продуценты, консументы, редуценты?

3. Что такое энтропия экосистемы и как она изменяется в процессе движения энергии по живым организмам экосистемы?

4. Почему “безотходное производство” в принципе невозможно?

5. Какова связь между потоком энергии и потоком элементов питания (вещества) в каждой экосистеме? В чем различие между потоком энергии и потоком вещества?

Свет как экологический факторЭкологический фактор
– это условие среды обитания, оказывающее
воздействие на организм.
С точки зрения экологии важны:
Качество света – длина волны или цвет
единицы измерения – нм или мкм;
Интенсивность – действующая энергия
единицы измерения – ккал или Дж;
Продолжительность воздействия
единицы измерения – часы, дни … .

Качество света

Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света

ФАР (фотосинтетическая активная радиация)

Интенсивность или сила света

Буготакские сопки – характеризуются резким отличием растительности их северных и южных склонов

Законы термодинамики экосистем

1 закон термодинамики Закон сохранения энергии

Второй закон термодинамики

Фотосинтез

Фотосинтез

КПД фотосинтеза

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ (Р. Линдемана) или правило 10 %

ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ

Второй закон термодинамики в применении к экосистемам

Экологические пирамиды

Пирамида энергии

Пирамида биомасс

Пирамида чисел

Пирамида чисел

ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ

ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Плотность сетей определяет устойчивость экосистемы

Продуктивность экосистем

Чистая первичная продуктивность

Вторичная продуктивность

Турбинная модель продуктивности биосферы

Первичная биологическая продуктивность различных типов экосистем (Реймерс, 1990)

Эстуарий

Продуктивность океана

Поток энергии в биосфере. Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется и передается от одних организмов к другим и излучается в окружающую среду. Следует четко представлять себе, что является источниками энергии в биосфере, куда текут энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.

Уже отмечалось, что единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнцаj (см. гл. 2). Ежегодно на земную поверхность падает около 21 1023 кДж, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы, с содержащейся в них растительностью, приходится только около 40%. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 20 1022 кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30-40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2 1018 кДж солнечной энергии.

Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (С02 и Н2О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

Органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения, разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Укажем, что содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее в течение многих миллиардов лет постоянный поток энергии через биосферу. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию. Ее оказалось достаточно для того, чтобы однажды на планете появилась жизнь, возникла биосфера, чтобы и ныне поддерживать все грандиозные процессы развития планеты.

Продуктивность биосферы. Современная биомасса Земли составляет примерно в 1,841 1012 т (в пересчете на сухое вещество). При этом на биомассу суши приходится около 1,837 1012 т, Мирового океана - 3,9 109 т. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза, так как использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04%, на суше - 0,1%. Зеленые растения в биомассе суши составляют 99%, животные и микроорганизмы - 1%. Биомасса на суше распределена неравномерно и возрастает от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие.

Вклад разных континентов в обшую первичную продукцию суши примерно следующий (Н.М. Чернова и др., 1995 г.): Европа - 6, Азия - 28, Африка - 22, Северная Америка - 13, Южная Америка - 26, Австралия с островами Океании - 5%. Если же сравнить продуктивность растений в расчете на 1 га, то она составляет (в процентах от средней по всем континентам) в Европе - 89, в Азии - 103, в Африке - 108, в Северной Америке - 86, в Южной Америке - 220, в Австралии - 90. При этом продуктивность различных экологических систем различна, она зависит от ряда климатических факторов, в первую очередь, от обеспеченности теплом и влагой. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Укажем, что биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем суши, хотя его поверхность занимает 72,2% всей поверхности Земли. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с чистой продукцией на суше. Так, в океанах ежегодно образуется 5,51 1010 т растительной массы, что составляет примерно третью часть обшей биомассы продукции планеты.

Рост и размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За сотни миллионов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Важно подчеркнуть, что возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но менее зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Приведем данные, которые ярко свидетельствуют о «напоре жизни». Суммарная масса живого вещества, которое было на Земле, хотя бы в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры. Действительно, биомасса Земли составляет 1,84 1012 т, т.е. около 0,00001% земной коры (2 1019 т), ежегодная продукция живого вещества близка к 1,7 1011 т. Полагая, что последний миллиард лет эта продукция была близка к современной, можно рассчитать ее суммарное количество: 1,710 109 = 1,7 1020 т, т.е. почти на порядок больше массы земной коры. Согласно Н.М. Черновой, если бы можно было собрать всю биомассу, произведенную на Земле за последние 600 млн лет, то она покрыла бы Землю слоем в сотни километров.

По мнению В.И. Вернадского, вышеуказанная «пленка жизни» длительное время является главной геологической силой, придающей современный облик трем оболочкам Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере. Развитие и характер этих оболочек определяется уже не астрономическими, а биогенными причинами. Исключение составляют лишь проявления вулканической деятельности, которые порождены глубинными геофизическими слоями Земли.

Существование биосферы основано на непрерывном движении вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины. При этом они, естественно, подчиняются основным законам (началам) термодинамики.

Первое начало или закон сохранения энергии гласит, что «энергия инвариантна по отношению к любым процессам». Это означает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но её суммарное количество остаётся постоянным. Например, свет может перейти в тепло или в потенциальную химическую энергию, запасённую в органическом веществе растения в процессе фотосинтеза, но общее количество энергии при этом останется тем же 1 .

Второй закон (начало) термодинамики гласит, что в изолированной системе при любых превращениях энергии часть её рассеивается и становится недоступной для дальнейших превращений в пределах данной системы. Если речь идёт о тепловой энергии, то рассеянная энергия переходит в хаотическое движение частиц окружающей материи (например, в тепловое движение молекул). В частности, тепло может быть передано от более холодного тела к более тёплому только с затратой механической или иной не тепловой энергии, которая при этом будет рассеяна (другая формулировка второго начала). Таким образом, любые процессы, связанные с превращениями энергии, ведут к переходу части энергии в энергию хаоса в системе.

Мерой хаотичности или неупорядоченности изолированной системы служит величина, названная энтропией. В любой изолированной системе идут процессы рассеяния энергии внутри системы, и, следовательно, энтропия растёт (третья формулировка второго начала). Когда энтропия изолированной системы достигает максимума, температура во всей системе выравнивается, процессы в ней замирают, остаётся только хаотическое движение, и систему настигает «тепловая смерть» . Из второго начала следует, что для возникновения и роста в системе упорядоченных структур требуется поступление извне концентрированной энер-

гии, которой соответствует температура выше температуры хаотического движения в системе. Часть поступающей энергии пойдёт на увеличение внутренней потенциальной энергии этих структур, а часть - рассеется в виде хаотического движения в остальной системе, вне упорядоченных структур (рис. 2.8). Энергия этого хаотического движения соответствует наиболее низкой температуре в системе и не может быть использована в пределах системы. Структурно упорядоченная часть системы сбрасывает образующуюся в ней энтропию вовне вместе с рассеянной энергией.

Рис. 2.8.

термодинамической системе

В биосфере продуценты непосредственно используют концентрированную энергию солнечного света и ‘/ 10 часть энергии захваченных фотонов преобразуют в потенциальную химическую энергию фотосинтезированного живого вещества, а 9 / 10 расходуют на испарение влаги и собственный обмен веществ, и эти 9 /,о рассеиваются в виде низкотемпературного тепла. Консу-менты, сапрофаги и детритофаги расходуют химическую энергию, полученную с пищей, примерно в тех же пропорциях. Всё происходит в соответствии с правилом «10 %» Линдемана, и оно, в сущности, означает, что, в конце концов, вся полученная экосистемой энергия рассеивается в виде низкотемпературного тепла. Таким образом, эффективность (или «коэффициент полезного действия» организмов как тепловых машин) примерно одинакова на всех трофических уровнях и составляет около 10 %.

На рис. 2.9 показаны потоки энергии в тепловой машине Земли. На внешнюю область атмосферы падает поток солнечного излучения 5 0 , равный 1396 Вт м -2 или примерно ’/ 3 ккал м 2 с -1

Отражение

облаками,

частицами

поверхностью

Инфракрасное

излучение

Солнечное

излучение

Поглощение

Поглощение

атмосферой

поверхностью

Испарение, излучение, конвекция, теплопроводность

Океаническая

циркуляция

Энергия радиоактивного распада и гравитационного сжатия Земли

Рис. 2.9. Тепловая машина атмосфера-Земля. Поверхность Земли является главным источником нагрева и циркуляции атмосферы, хотя сама получает почти всю энергию от Солнца. Вклад радиоактивности и гравитационного сжатия Земли в общий баланс энергии ничтожен

(солнечная постоянная). Этот поток пересекается диском Земли площадью л/? 2 , где Я - радиус Земли, но распределяется по всей поверхности Земли 4пЯ 2 (см. рис. 2.3). Поэтому поток солнечной энергии, перпендикулярный поверхности Земли, в среднем составляет только 349 Вт м 2 . Он имеет спектр длин электромагнит-

ных волн, соответствующий излучению абсолютно чёрного тела 1 , нагретого до 6000 К (рис. 2.10) .

Около 30 % этого излучения отражается облаками и атмосферой обратно в космос, и около 15 % поглощается в атмосфере. Помимо облаков в рассеянии, поглощении и отражении солнечной радиации велика роль мельчайших твёрдых аэрозольных частиц с размерами меньше нескольких микрон (микрометров). Примерно 3 % радиации Солнца поглощается озоном и кислородом озонового слоя атмосферы - это ультрафиолетовая часть солнечного излучения, и 12 % захватывается углекислым газом (С0 2) и водяным паром (рис. 2.10). На поверхность Земли попадает 55 % солнечного излучения, из которых 5 % отражается обратно в космос, не задерживаясь в атмосфере. Всего непосредственно отражается в космос 35 %. Эта величина есть средняя отражательная способность, или альбедо , Земли. Поглощённая поверхностью Земли энергия составляет примерно половину радиации, попадающей в верхние слои атмосферы. Около половины этой поглощённой радиации (энергии инсоляции) уходит на испарение воды с поверхности океанов и образование облаков, а вторая половина - на собственно нагрев поверхности. И только малая доля - примерно 1,5 % - захватывается растениями и непосредственно используется для поддержания жизни.

400 Поток излучения, ПВт /мкм

избирательного

(неполного)

поглощения

поглощения Н 2 0 и С0 2

• 100 ?

Ультрафиолет

Инфракрасные лучи

Рис. 2.10. Спектры излучения Солнца (на верхней кромке атмосферы Земли) и Земли. Затемнены области спектров, где происходит поглощение излучения указанными на рисунке атмосферными газами. Мощность излучения выражена в петаваттах на микрометр (мкм) длины волны. 1 ПВт (петаватт) = 10 15 Вт

Помимо солнечной радиации поверхность Земли подогревается потоком тепла, поступающим из недр Земли, но этот поток пренебрежимо мал по сравнению с потоком радиации Солнца.

Разными путями поглощённая поверхностью энергия радиации возвращается в атмосферу (рис. 2.9). Накопленная облаками теплота испарения попадает в воздух при образовании осадков, а энергия нагрева передаётся атмосфере через конвективные потоки тепла, инфракрасное излучение поверхности и, в очень небольшой доле, через теплопроводность. Энергия теплосодержания атмосферы расходуется на образование атмосферной циркуляции, то есть преобразуется в кинетическую энергию ветров и морских волн, и далее через трение снова в тепло.

Водяной пар, углекислый газ и, отчасти, метан СН 4 и некоторые другие атмосферные примеси перехватывают инфракрасное излучение как Солнца, так и Земли (рис. 2.10). Эти атмосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землёй, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задерживая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда и их название - парниковые газы. Возникающий благодаря ним парниковый эффект играет важнейшую роль в тепловом балансе Земли.

Так как в среднем температура Земли не меняется, Земля должна излучать в космос из верхней атмосферы столько же энергии, сколько получает от Солнца и других, не столь значимых источников. Спектр длин электромагнитных волн, излучаемых в космос верхней атмосферой Земли, соответствует излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 250 К. Если бы не было парникового эффекта, то и температура Земли упала бы до 250 К (то есть до -23 °С), и жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, по крайней мере, в её нынешних формах. Однако уходящее излучение поверхности Земли, продвигаясь вверх, многократно поглощается и переизлучается парниковыми газами (в том числе в обратном направлении), и на каждом уровне температура и уходящий поток энергии снижаются. Поэтому средняя температура поверхности Земли удерживается на уровне 288 К (15 °С), и спектр её излучения соответствует этой температуре (рис. 2.10).

Весьма вероятно, что переходы от периодов потепления на Земле к ледниковым периодам и обратно тесно связаны с колебаниями концентраций парниковых газов и пылевых - аэрозольных частиц в атмосфере. Важную роль в этих процессах играют отличия в альбедо различных типов поверхности. Из рис. 2.11 ясно, что рост площади ледников и, отчасти, песчаных пустынь ведёт к росту альбедо Земли в целом, тогда как увеличение площади океана и растительности - к его (альбедо) уменьшению.

Парниковые газы «согревают» Землю, аэрозольные частицы, отражая обратно в космос солнечное излучение, её «остужают».

Вода Трава Чернозём Песок Лёд и снег

Рис. 2.11.

В периоды временного усиления вулканической деятельности содержание частиц в атмосфере резко растёт, поэтому средняя температура на Земле начинает падать. При этом растут ледники и, прежде всего, полярные шапки Земли возле её полюсов. Рост полярных шапок и сокращение площади океана увеличивают альбедо Земли, что ускоряет процесс охлаждения. Одновременно уменьшается испарение с поверхности океана, поэтому падают содержание водяного пара в воздухе и облачность. Это приводит к уменьшению альбедо, то есть росту нагрева поверхности Земли, и в какой-то момент процесс начинает идти в обратном направлении, пока вся система тепловой машины Земли не вернётся в состояние, близкое к исходному.

Возможен толчок и в обратном направлении, если какой-либо фактор приведёт к потеплению. Таким фактором может быть, например, антропогенный рост концентрации С0 2 в атмосфере вследствие сжигания человеком огромных количеств ископаемого топлива - нефти, угля и природного газа. Из рис. 2.10 видно, что именно С0 2 в наибольшей мере препятствует тепловому излучению Земли в космос. Наблюдаемый рост концентрации С0 2 , составляющий примерно 0,3 % в год, приводит к уменьшению альбедо Земли. Соответственно будет расти средняя температура. Если начнётся интенсивное таяние полярных шапок и гренландского ледника, то скорость уменьшения альбедо ещё более возрастёт и соответственно ещё более возрастёт средняя температура на Земле. Этому процессу отчасти противостоят растворение избытка С0 2 в океане и поглощение его растительностью, но их может оказаться недостаточно. Такое развитие событий может привести к глобальному потеплению. При этом надо учитывать, что избыток энергии, полученный поверхностью Земли, в значительной части сначала уйдёт на испарение, превратится в энергию ветра и морских течений, что само по себе ведёт ко многим крайне нежелательным последствиям.

• Строго говоря, во Вселенной постоянной остаётся сумма энергии и массы, так как масса превращается в лучистую энергию при ядерных реакциях, например, в недрах Солнца и других звёзд или в атомном реакторе. Вместе с тем энергичный квант излучения может превратиться в пару материальных частиц электрон-позитрон. Впрочем, в биосфере подобные превращения не происходят.
• Можно рассматривать второе начало термодинамики и как выражение того обстоятельства, что любая система стремится к состоянию устойчивого равновесия, при котором энтропия системы достигает абсолютного максимума.
• Абсолютно чёрное тело - тело, поглощающее всё излучение, попадающее на его поверхность. При этом такое тело обладает и наибольшей способностью к излучению при данной температуре. Пример абсолютно чёрного тела - отверстие печи: попавшие в него лучи не могут выйти обратно, но у горящей печи из него идёт максимальный поток излучения.
• Здесь и далее расчёты температур основаны на законе Стефана - Больцмана, согласно которому интенсивность излучения с поверхности абсолютно чёрного тела Е=аТ58, где а - постоянная Больцмана, равная 5,67 10-8 Вт м-2 К-4, и Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, К. Длины электромагнитных волн А.мах, соответствующие максимумам спектров излучения, определяются законом Вина Хмах [мкм] = 2897/Г.
• Основным источником атмосферных аэрозольных частиц является океан. При обрушении волн образуются микроскопические капельки солёной воды, которые быстро высыхают, образуют частицы солей и