19 Законы термодинамики в экосистемах

Химические превращения в природе и все биологиче­ские процессы в экосистемах подчиняются законам термоди­намики. Согласно первому закону, называемому законом со­хранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной.

Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как од­на из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же коли­чество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Согласно второму закону термодинамики, называемому законом энтропии, процессы, связанные с пре­вращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентриро­ванной формы в рассеянную (деградирует). И действительно, теплота не передается самопроизвольно от более холодного те­ла к более горячему (хотя первый закон такой переход не за­прещает!). В природе масса примеров однонаправленных про­цессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяют­ся; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска.

Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия¹ (от греч. еп — в, внутрь, trope — поворот, превращение). В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (AS) или равно нулю (при обратимых процессах) или больше нуля (при необратимых процессах). Система и ее окружение, пре­доставленные сами себе, стремятся к состоянию максималь­ной энтропии (неупорядоченности); таким образом, самопроиз­вольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка. Вто­рой закон термодинамики можно сформулировать иначе: по­скольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эф­фективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100% .

Согласно третьему закону термодинамики, при стремлении абсолютной температуры простых кристалли­ческих тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю.

Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более «концентрирован» энергетический по­ток, тем выше его качество — способность превращаться в дру­гую форму энергии (или соотношение части энергии, способ­ной сконцентрироваться, и рассеиваемой части энергии). В пи­щевой цепи и цепи получения электроэнергии (рис. 6.9), включающей этап фоссилизации², количество энергии всегда уменьшается, а ее качество — увеличивается.

20 Энтропия. Способность природных систем сохранять упорядоченность

Энтропия экологическая

(от греч. entropia - превращение) - необратимое рассеяние энергии экосистемами. Происходит двумя путями: обычная потеря тепла из-за градиентов температур между ценоэкосистемой (биота и почва) и окружающей средой, а также присущая только организмам и их биоценозам, потеря тепла в процессе дыхания и брожения в связи с освобождением энергии при экзотермических реакциях (происходящих в организмах). Выражается в джоулях на кельвин (Дж/К).

правило сохранения упорядоченности (И. Пригожин) – в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля.

И ещё из лекций какой-то группы: Биосистемы – открытые системы, т.е. обмениваются веществом и энергией с окружающей средой – основные условия существования живой материи. Живая материя принципиально отличается от неживой способностю накапливать и преобразовывать энергию, поддерживая энтропию на низком уровне.

Энтропия – мера беспорядка системы. Универсальным механизмом поддержания упорядоченности биосистемы является дыхание.

21)Характеристикой качества энергии является её эксергия – максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергия не только количественно характеризует энергию любого вида, но и позволяет оценить ее качественную сторону. Она определяет превращаемость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях.

Для характеристики стремительности уменьшения количества энергии в экологической энергетической пирамиде экологи используют понятие качества энергии. Смысл его понятен из такого примера. От Солнца на один квадратный метр поступает один миллион килокалорий. Часть этой энергии (примерно 2%) синтезируют растения. Растения поедают травоядные животные. При этом опять же только малая часть энергии связывается, другая часть превращается в тепло. Далее, это травоядное животное становится жертвой хищника (вторичного консумента) . Снова только малая часть энергии сохраняется (в хищнике). Остальная часть энергии рассеивается. Допустим, что на уровне хищника осталось нерассеянной из одного миллиона только сто килокалории. При переходе от Солнца, а затем от одного трофического уровня ко второму, а затем и к третьему нерассеянная энергия уменьшилась в сто тысяч раз. Специалисты считают, что во столько же раз увеличилось качество энергии. Принцип здесь простой: на сколько уменьшилось количество энергии, настолько увеличилось ее качество. Таким образом, качество энергии в экосистеме определяется тем количеством энергии определенного типа, которая затрачена на получение энергии данного типа (данного трофического уровня).

Для того, чтобы данный потребитель смог воспринять данную энергию, она должна быть определенного качества. Так, заяц не может путем фотосинтеза воспринять солнечную энергию. Ему нужна травка, которая это способна сделать. Значит, заяц может воспринимать энергию только на одну ступень более высокого качества, чем травка. Лиса же, пожирающая зайца, воспринимает энергию еще на одну ступень более высокого качества. И так далее. Проходя по пищевой цепи, энергия меняет свое качество. Это происходит благодаря живым организмам на разных трофических уровнях. В разных экосистемах трофические уровни могут существенно различаться. Это определяется характеристиками экосистем: из каких видов, каких сообществ она состоит и как они сочетаются. Ясно, что эффективность по повышению качества энергии у экосистем также будет разная.

22) Живые существа и целые экосистемы не могут существовать без обмена энергией и веществом с окружающей средой. Они являются так называемыми открытыми системами. Для их описания применяют закон преобразования энергии, который содержит в своем формулировке важные для практического использования понятия "нагрева" (изменения внутренней энергии тела U) и "работы" (А). Этот закон формулируется так: Если произвольный объект или система получит извне или выделит в себя результате химических или ядерных реакций энергию Е (или количество теплоты Q), то она всегда равна сумме изменения Д U внутренней энергии этого объекта (системы) и выполненной им работы А.

Вся биосфера Земли - грандиозный потребитель энергии. Живые организмы для роста, размножения, движения используют энергию. Это означает, что закон, равно применяется как для бактерии или водоросли, так и для человека. Мышцы являются тем основным устройством, которое было "изобретен" эволюцией для наиболее эффективно преобразование потребляемой химической энергии Е в механическую работу А в теле животных. Каждому известны функции и возможности собственных мышц. Наше тело тоже является своеобразной тепловой машиной, оно использует энергию и потребленную пищу на обновление или ремонт всех своих составляющих, а также на движение, выполнения работы.

23) Пищева́я (трофи́ческая) цепь — ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища — потребитель (последовательность организмов, в которой происходит поэтапный перенос вещества и энергии от источника к потребителю). Другими словами: перенос энергии пищи от её источника(зеленое растение) через последовательный ряд живых организмов.

Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. В трофической цепи не может быть больше 5-6 трофических древий , т к количество энергии резко падает.(Закон Линдемана – правило 10%) Чем крупнее организм, тем короче цепочка.

Существуют 2 основных типа трофических цепей — пастбищные и детритные.

В пастбищной трофической цепи (цепь выедания) основу составляют автотрофные организмы, затем идут потребляющие их (консументы) растительноядные животные (например, зоопланктон, питающийся фитопланктоном), потом хищники 1-го порядка (например, рыбы, потребляющие зоопланктон), хищники 2-го порядка (например, щука, питающаяся другими рыбами). Особенно длинны трофические цепи в океане, где многие виды (например, тунцы) занимают место консументов 4-го порядка.

В детритных трофических цепях (цепи разложения), наиболее распространённых в лесах, большая часть продукции растений не потребляется непосредственно растительноядными животными, а отмирает, подвергаясь затем разложению сапротрофными организмами и минерализации. Таким образом, детритные трофические цепи начинаются от детрита (органических останков), идут к микроорганизмам, которые им питаются, а затем к детритофагам и к их потребителям — хищникам.

24) Обычно для каждого звена цепи можно указать не одно, а несколько других звеньев, связанных с ним отношением «пища — потребитель». Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру — трофическую сеть.

Трофический уровень — это совокупность организмов, которые, в зависимости от способа их питания и вида корма, составляют определённое звено пищевой цепи.

В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи.

Представление о трофическом уровне позволяет понять динамику потока энергии в экосистеме. Первый трофический уровень занимают продуценты (растения), второй — консументы I порядка (растительноядные животные), третий — консументы II порядка (хищники, питающиеся растительноядными животными), четвертый — консументы III порядка (вторичные хищники). Организмы разных пищевых цепей, но получающие пищу через равное число звеньев этих цепей, находятся на одном трофическом уровне. В то же время различные популяции одного и того же вида, входящие в различные пищевые цепи, могут находиться на разных трофических уровнях. Соотношение различных трофических уровней в экосистеме можно изобразить графически в виде экологической пирамиды (рис. 1).

25) Экологическая пирамида — графические изображения соотношения между продуцентами и консументами всех уровней (травоядных, хищников, видов, питающихся другими хищниками) в экосистеме. Эффект пирамид в виде графических моделей разработан в 1927 году Ч. Элтоном.

Также является графическим изображением распределения продукции по трофическим уровням, показывающим, что на каждом последующем уровне количество энергии меньше, чем на предыдущем.

Хищники (1троф. ур)
Травоядные (2 троф. ур)
Растения (3троф. ур)

волки
лось
трава

Пирамида чисел Элтона не всегда имеет классический вид:

киты
планктон

Пирамиды биомассы могут быть перевернуты в океанах:

26)

27) Среда обитания. Часть природы (совокупность конкретных абиотических и биотических условий), непосредственно окружающая живые организмы и оказывающая прямое или косвенное влияние на их состояние, рост, развитие, размножение, выживаемость и т. п., — это и есть среда обитания. На нашей планете организмы освоили четыре основные среды обитания: водную, наземную (воздушную), почвенную и тело другого организма, используемое паразитами и полу паразитами.

Различают естественную и искусственную (созданную человеком) среду обитания. Естественные среды обитания в основном делятся на наземно-воздушную, почвенную, водную и внутреорганизменную. Отдельные свойства и элементы среды, воздействующие на организмы, называют экологическими факторами.

От понятия «среда обитания» следует отличать понятие «условия существования» — совокупность жизненно необходимых экологических факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать (свет, тепло, влага, воздух, почва).

28)Классификация экологических факторов

Экологические фаикторы— свойства среды обитания, оказывающие какое-либо воздействие на организм.

Экологические факторы отличаются значительной изменчивостью во времени и пространстве. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в глубине пещер.

Экологические факторы могут выступать как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования тех или иных организмов в данных условиях; как модификаторы, определяющие морфо-анатомические и физиологические изменения организмов.