1.3 Энергия в экосистеме

Организмы в экосистеме связаны общей энергией и веществами. Всю экосистему, например биосферу, можно уподобить единому механизму, который потребляет энергию и питательные вещества для совершения работы. Суть этой работы: абиотические компоненты + энергия —> питательные вещества. Ее выполняют автотрофные организмы - растения при помощи фотосинтеза. Создается первичная биомасса. Далее эта биомасса потребляется гетеротрофными организмами биосферы и в конце концов возвращаются в абиоту либо в качестве отходов жизнедеятельности, либо после гибели и разрушения организмов. Таким образом, в экосистеме происходит постоянный круговорот веществ, в котором участвуют как живой так и неживой компоненты биосферы. Такие круговороты называются биохимическими циклами. Движущей силой этих круговоротов является, в конечном счете, энергия Солнца. Непосредственно используют эту энергию фотосинтезирующие организмы (растения) и передают затем энергию Солнца уже в сконцентрированном виде другим организмам биосферы. В результате создается поток энергии и веществ, что показано на рис.1.5 в Приложении 3

Необходимо отметить, что экологические факторы, такие как климат, температура, ветер, осадки, испарение - тоже регулируются поступлением

солнечной энергии.

Из рис. 1.5 видно, что поток энергии является линейным, т. е. энергия проходит через экосистему, а не совершает круговоротов, как питательные вещества. Т. е. энергия используется однократно. (Уголь, нефть и т. п. ископаемое топливо - это запасы энергии, энергия задерживается на некоторое время в экосистеме).

Причина того, что поток энергии носит линейный характер, заключается в термодинамических законах, которым подчиняется любая экосистема, в т. ч. и наша биосфера. Именно: энергия может существовать в различных взаимопревращающихся формах: механическая, химическая, тепловая и т. д. Переход одной формы в другую подчиняется законам термодинамики: 1-й закон - закон сохранения энергии: энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может возникнуть из ничего или исчезнуть без следа. 2-й закон термодинамики гласит, что при всяком превращении энергия не может быть использована на все 100%, а часть ее неизбежно превращается в тепло. При этом происходит возрастание энтропии той системы, которая это тепло принимает. Энтропия есть мера беспорядка, неупорядоченности, тепловая энергия есть энергия беспорядочного движения атомов, молекул, следовательно с увеличением тепловой энергии возрастает и беспорядок в системе. И наоборот: работа есть упорядоченное использование энергии, т. е. в результате произведенной работы уменьшается мера беспорядка. Живые организмы уменьшают, таким образом, энтропию внутри себя, за счет увеличения ее во вне. Гибель живого организма или системы приводит к возрастанию энтропии, 2-й закон термодинамики проявляет себя в экосистеме следующим образом: живые организмы - это преобразователи энергии и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов, вся энергия, поступившая в биотический компонент, рассеивается в виде тепла. Поэтому все живые организмы как и все экосистемы для поддержания жизни нуждаются в постоянном притоке энергии. Итак, сделаем выводы:

Важнейшей термодинамической характеристикой живых организмов, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Жизнеспособные экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой, энергией и веществом, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая энергию вовне в согласии с законами термодинамики.