Структура и функционирование экосистемы

Блок тем 4 (дидактическая единица 4)

• ТЕМА 8: ЭНЕРГИЯ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЭКОСИСТЕМ

• ТЕМА 9: ТРОФИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭКОСИСТЕМЫ

• ТЕМА 10: КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В ЭКОСИСТЕМЕ

ВАША ОЦЕНКА по 100-балльной шкале (блок тем 4)

Вид работы	Оценка, баллы		Подпись преподавателя
	Максимум	Реальная
1. Работа на практических занятиях по теме 8	10
2. Домашнее задание по теме 8	5
3. Работа на практических занятиях по теме 9	10
4. Домашнее задание по теме 9	5
5. Работа на практических занятиях по теме 10	10
6. Домашнее задание по теме 10	5
7. Контрольная работа и тестирование	55
ИТОГО по дидактической единице 1	100

Таблица 4.

Календарно-тематический план аудиторных занятий по блоку тем 4

Тема занятий	Лекции		Практические
	Кол-во часов	Дата	Кол-во часов	Дата
1. Энергия и продуктивность экосистем	2		4
2. Трофическая структура экосистемы	2		4
3. Круговорот вещества в экосистеме	2		2
4. Текущий контроль (контрольная работа)	-		2
ИТОГО:	6		12

Глава VIII Энергия и продуктивность экосистем (тема 8)

8.1. Энергия и продуктивность экосистем (конспект лекции и хрестоматия)

Применение законов термодинамики в экологии

Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В физике свободную энергию определяют и как способность производить работу. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она может только переходить из одной формы в другую. Различные формы энергии – ядерная энергия, электромагнитная энергия, химическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия и другие.

В недрах нашего Солнца в процессе термоядерных реакций (ядерная энергия) высвобождается чудовищное количество энергии. Лишь малая ее часть достигает поверхности Земли в виде солнечного излучения. Солнечное излучение (электромагнитная энергия) может использоваться растениями в процессе фотосинтеза и перейти в потенциальную энергию органического вещества, например, глюкозы (химическая энергия), или вызвать повышение температуры земной поверхности (тепловая энергия). Но при всех этих переходах энергии из одной формы в другую ни одна калория, ни один джоуль не теряется и не возникает из ничего.

1 Дж (джоуль)  0,24 кал (калории). 1 ккал (килокалория) = 1000 кал; большая или пищевая калория = 1000 кал = 1 ккал.

Следствия из второго начала термодинамики:

- невозможно построить вечный двигатель – устройство, которое будет выполнять некоторую полезную работу без затрат энергии;

- эффективность (коэффициент полезного действия, КПД) любой работы не может превышать 100%, иными словами, отношение полезной работы (энергии) ко всей затраченной работе (энергии) не может быть больше единицы.

Соблюдаются ли законы термодинамики в экологических системах? В качестве примера рассмотрим процесс фотосинтеза (рис. 8.1). Из каждых 100 Дж солнечной энергии, попадающих на поверхность листа за определенное время, только 50 Дж поглощаются хлорофиллом и другими пигментами (это так называемая ФАР – фотосинтетически активная радиация), а оставшиеся 50 Дж в процессе фотосинтеза не участвуют.

Энергия ФАР расходуется на возбуждение активных центров хлорофилла и других пигментов, но только 1 Дж из поглощенных 50-ти перейдет в энергию химических связей глюкозы. Остальные 49 Дж трансформируются в тепловую энергию, составят «издержки» процесса фотосинтеза. Поскольку непосредственно использовать тепловую энергию для фотосинтеза растения не могут, говорят о «потерях» энергии в процессе фотосинтеза в виде тепла.

Согласно первому закону термодинамики, ни один джоуль энергии в процессе фотосинтеза не может исчезнуть или возникнуть дополнительно, а, следовательно, количество поступившей солнечной энергии в точности должно быть равно сумме тех видов энергии, в которую она трансформировалась. В нашем примере:

100 Дж = 50 Дж (не ФАР) + 49 Дж (тепловая) + 1 Дж (химическая)

Эффективность фотосинтеза должна быть меньше 100% (следствие из второго начала термодинамики). Эффективность (КПД) фотосинтеза – это отношение количества полезной энергии (химической энергии глюкозы – Эх) к количеству поступившей солнечной энергии (Эс): КПД = (Эх/Эс) ∙ 100%. В нашем примере:

КПД% = (1 Дж/100 Дж) ∙ 100% = 1%

Рис. 8.1. Трансформация солнечной энергии в процессе фотосинтеза (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями).

Еще одно важнейшее понятие Большой Физики, которое прочно вошло в последние годы в экологию, это энтропия.

Энтропия (от греч. entropia – превращение, поворот) – физическое понятие, мера необратимого рассеяния (диссипации) энергии. Менее строго энтропия – это мера неупорядоченности.

Экосистемы и биосфера Земли представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. Поддержание высокой внутренней упорядоченности (низкоэнтропийного состояния) экосистем достигается за счет использования внешней энергии и увеличения энтропии окружающей среды.

«Испарение, осадки и ветер возникают потому, что Земля непрерывно получает солнечную энергию. Солнечная энергия генерирует на Земле практически все виды упорядоченных макроскопических процессов. Тепло, в которое переходит (диссипирует) солнечная радиация, рассеивается в космическое пространство в виде теплового излучения. Всё разнообразие наблюдаемых макроскопических процессов представляет собой различные виды распада начальных упорядоченных состояний вещества и диссипации содержащейся в них энергии. Совокупность существующих богатых энергией состояний вещества составляет энергетические ресурсы Земли. Эти ресурсы представлены:

1) в кинетической энергии скоррелированного движения различных частей вещества (поток солнечной радиации, гидроэнергия рек и океанических волн, энергия морских приливов, ветровая энергия);

2) в накопленной потенциальной энергии скоррелированных связей различных частей вещества (гравитационной, физической в виде скрытой теплоты конденсации и замерзания воды, химической и ядерной энергии);

3) в существующей разности температур между экваториальными и полюсными областями поверхности Земли, между поверхностным и глубинным слоями вод океанов, морей, озер.

Запасы ядерной энергии, гравитационной энергии, энергии перераспределения земных недр и энергии морских приливов сохранились со времени образования солнечной системы. Все остальные виды ресурсов генерируются солнечной радиацией.

При протекании распадных процессов до конца все виды потенциальной энергии сначала переходят в кинетическую энергию упорядоченных движений, которая затем подвергается диссипации и рассеивается в виде тепловой энергии хаотического движения отдельных молекул.

Следовательно, конечным результатом распада является минимум потенциальной энергии. Однако при малой скорости диссипации могут происходить обратные процессы перехода упорядоченной кинетической энергии в потенциальную, которая может накапливаться. Так происходит:

• накопление в атмосфере скрытой энергии конденсации влаги при испарении воды, вызывающей впоследствии ураганы и смерчи;

• накопление энергии деформации в земной коре, вызывающей землетрясения;

• накопление гравитационной энергии в горных снежных наносах, вызывающей лавины;

• накопление энергии органических веществ в процессе поглощения растениями солнечной энергии, поддерживающих существование передвигающихся животных и создающих возможность возникновения лесных пожаров и т. п.» (Горшков, 1995).