248

Термин экология (гр. oikos – дом, жилище, родина; logos – учение, наука) ввел в 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель, который выделил в самостоятельную науку и назвал этим словом раздел биологии, изучающий совокупность взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природной среды.

Экология имеет общий корень со словом экономика, которое буквально означает «искусство ведения домашнего хозяйства». К сожалению, экономика иногда вступает в противоречие с экологией. Стремясь к сиюминутным экономическим выгодам, человек невольно разрушает свой природный дом.

Среди различных материальных «домов», где живет человек, экология имеет дело с величайшим из них – биосферой.

Биосфера (гр. bios – жизнь; sphaira – поверхность шара) – это живая оболочка Земли, т.е. система живых организмов и среды, которая функционирует и развивается как единое целое. Организмы не только приспосабливаются к среде обитания, но и приспосабливают среду к себе, образуя вместе сложную систему регуляции условий, обеспечивающих жизнь на планете. Именно организмы сыграли основную роль в формировании геохимической среды Земли, благоприятной для их существования.

Из всех живых организмов человек более других пытается изменить природу, используя и приспосабливая ее к своим нуждам. С развитием науки и техники люди получают все более мощные орудия воздействия на природу. Это позволяет им вторгаться в микро- и макромиры, во все процессы, протекающие в биосфере. Вот что писал В.И. Вернадский еще в 1925 г.: «Человек уничтожил девственную природу. Он внес в нее массу неизвестных ранее химических соединений и форм жизни – культурных пород животных и растений. Он изменил течение всех геохимических реакций. Лик планеты стал новым и пришел в состояние непрестанных потрясений».

В своей деятельности человек, как правило, не осознает, что нарушает закономерности протекания природных процессов, вызывает нежелательные для себя изменения и не предвидит последствия.

До некоторых пор природные механизмы саморегуляции биосферы компенсировали возмущающие антропогенные (гр. anthropos – человек; genos – происхождение) воздействия, однако, на современном этапе развития планеты система производства и размах человеческой деятельности достиг масштабов, сопоставимых с масштабами природных явлений. По словам В.И. Вернадского, «человечество стало геологической силой, сравнимой с силами самой природы». Действительно, подземные ядерные взрывы по мощности сравнимы со слабыми и средними сейсмическими толчками; аварии на атомных электростанциях; утечки ядовитых веществ на химических заводах; потери вредных веществ при транспортировках и хранении и т.п. – все эти техногенные катастрофы, не говоря уже об угрозе ядерной войны, вполне сопоставимы с крупнейшими природными катаклизмами.

Разрушительная деятельность человека уже сейчас часто превышает возможности биосферы компенсировать антропогенные воздействия и порождает конфликт между обществом и природой, создает проблемы, которые получили название экологических.

В последний, наиболее краткий период своей истории человечество достигло такой численности и приобрело такую техногенную мощь, что стало представлять потенциальную опасность для жизни на Земле. Экологический кризис – это не только угроза дикой природе и загрязнение. Кризис касается и самих людей и ставит вопрос о том, что мы должны изменить в себе, чтобы выжить.

Эволюция природных процессов и явлений, в том числе и человека, в конечном счете вызвала озабоченность мирового сообщества судьбой биосферы., представляющей собой ныне нераздельное единство природных, техногенных и духовных элементов. Поэтому угроза существованию земного дома связана с угрозой разрушения и дома духовного.

Изучение экологии отличается от изучения других дисциплин, например, химии, биологии, математики, гидравлики или экономики. Почему? Потому, что это междисциплинарная наука, требующая знания естественных (биология, геология, химия, физика, география и др.), технических (безотходные технологии, материаловедение, энергетика и др.) и социальных (экономика, политика, этика и др.) наук для понимания общих закономерностей природных, техногенных и социальных глобальных процессов и нашей роли в этом мире.

Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология. Только знание объективных законов развития природных, техногенных и социальных процессов позволит поладить с природой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные мероприятия, не обоснованные научно, бесполезны, а иногда даже вредны, как в экологическом, так и в экономическом отношении, а их реализация создает лишь иллюзию защиты природы и здоровья человека.

Экологические проблемы являются общечеловеческими, так как биосфера не признает государственных границ. Общечеловеческие проблемы порождают и общечеловеческие задачи. Сохранить жизнь на Земле – более важной задачи перед человечеством не стоит.

Фундаментальные естественнонаучные дисциплины в технических вузах традиционно были представлены лишь физико-математическими и химическими науками, такими как математика, физика, химия, информатика, теоретическая механика и т.п. Теперь в цикл этих дисциплин введена экология, так как в современных условиях необходима ликвидация пробела в фундаментальном образовании с целью повышения экологической грамотности в контексте общечеловеческой культуры и цивилизации.

Новая дисциплина для студентов технических направлений и специальностей призвана:

- познакомить студентов с основами фундаментальной экологии;

- изменить природопотребительскую психологию людей;

- способствовать формированию экологического мировоззрения и представлений о человеке как части природы;

- научить видеть последствия влияния профессиональной деятельности на окружающую среду и здоровье человека;

- убедить в необходимости научно обосновывать природоохранные мероприятия;

- научить находить пути компромисса между экономическими и экологическими интересами людей;

- помочь осознать ценность всего живого и невозможность выживания человечества без сохранения биосферы;

- попытаться научить переводить первозданные природные богатства в категорию экономических ценностей.

Авторы не считают, что целью обучения является усвоение максимально большего объема информации. Полезнее научиться «просеивать» горы информации и различных точек зрения на события, чтобы найти правильные решения локальных, национальных и глобальных проблем. Авторы не претендуют на исключительность предложенных или концепций. Студенты могут не всегда соглашаться с тем, что излагается в учебнике, но они должны научиться обосновывать свою позицию.

Предмет экологии

Определить предмет экологии позволяет концепция организации живой оболочки Земли – биосферы. Биосфера состоит из биологических систем – биосистем разного уровня сложности и организации.

Биосистемы – это природные системы, в которых живые компоненты, называемые биотическими, упорядоченно взаимодействуют с неживой физической средой, т.е. абиотическими компонентами, составляя с ними единое целое. Биосистемы связаны между собой иерархической структурой, образуя как бы «служебную лестницу жизни».

С огласно современным представлениям на «лестнице жизни» выделяют шесть ступенек, которые гипотетически могут быть продолжены и вверх, и вниз (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Иерархия уровней организации живой материи: 1 - генетические системы; 2 – клеточные системы; 3 – системы органов; 4 – системы организмов; 5 – популяционные системы; 6 – экологические системы (экосистемы)

По мере продвижения биосистем от низших ступенек к высшим уровень организации входящих в них биотических компонентов усложняется: гены, клетки, органы, организмы, популяции, сообщества. Абиотические компоненты на всех уровнях представлены веществами и энергией, которые формируют все факторы неживой физической среды.

Биотические и абиотические компоненты вместе образуют соответствующие биосистемы, расположенные снизу вверх в следующем порядке: 1). генетические системы, 2). клеточные системы, 3). системы органов, 4). системы организмов, 5). популяционные системы, 6). экологические системы, или экосистемы.

Деление иерархии на ступени условно, так как каждый уровень взаимосвязан с соседними уровнями в функциональном смысле. Например, гены не могут функционировать в природе вне клетки, клетки многоклеточных – вне органов, органы – вне организма и т.д. Иными словами, системы низших ступеней (подсистемы) интегрированы в системы высших ступеней (надсистемы). Экосистема не жизнеспособна без взаимосвязи с популяционными системами и биосферой в целом. В то же время сообщество не может жить, если в нем не происходит круговорот веществ и не поступает энергия извне, т.е. отсутствуют абиотические компоненты. Все экосистемы вместе образуют биосферу Земли.

Биосистемы разных уровней являются предметом изучения различных дисциплин: генетические системы изучает генетика (гр. genetikos –наследственный), клеточные – цитология (гр. kytos – клетка), органы – физиология (гр. physis – природа, природные функции), отдельные разделы медицины и др. Более высокоорганизованные системы уже не укладываются в рамках одной дисциплины. Организмы, например, рассматривают разнообразные разделы ботаники и зоологии: альгология (лат. alga – водоросль), микробиология (гр. mikros – малый), микология (гр. mikes – гриб), ихтиология (гр. ichthys – рыба), орнитология (гр. ornis – птица), антропология (гр. antropos – человек) и т.п.

Системы, которые расположены выше уровня организмов: популяционные системы, экосистемы, биосферу в целом – изучает экология.

Следовательно, предметом экологии являются системы надорганизменного уровня – популяционные, экологические и биосфера.

Популяционные системы – это биосистемы, в которых биотические компоненты представлены, как сказано выше, популяциями.

Популяция – это совокупность разновозрастных особей одного вида, обменивающихся генетической информацией, объединенных общими условиями существования, необходимыми для поддержания численности в течение длительного времени: общность ареала, происхождение, свободное скрещивание и др.

В отличие от отдельных организмов, популяция характеризуется рядом признаков, носителями которых является группа, но не отдельные особи: плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура, распределение в пространстве, кривая роста и др. Кроме «групповых свойств», популяции обладают и «биологическими свойствами», присущими как популяции, так и входящим в нее организмам. Одной из самых важных характеристик популяции является ее возрастная структура, определяющая кривую роста численности популяции, степень ее зрелости и стабильности.

В быстрорастущих популяциях значительную долю составляют молодые особи; в популяциях, находящихся в стабильном состоянии, возрастное распределение относительно равномерно, а в отмирающих популяциях молодые особи составляют меньшую долю от общей численности популяции (рис. 2.2).

Экологические системы, т.е. экосистемы занимают центральное место в экологии. Популяции в экосистемах объединяются в сообщество организмов – биоценоз.

Термин экосистема, как упоминалось, был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: биокосное тело (В.И. Вернадский, 1924), биогеоценоз (В.Н. Сукачев, 1942), холон (А. Костлер, 1969) и др. Только в конце XX века, когда была разработана общая теория систем, утверждается термин экосистема.

Б иоценоз – это сообщество всех организмов экосистемы, которые живут в определенном пространстве абиотической среды – биотопе. Биоценоз и биотоп функционируют как единое целое, образуя экосистему (рис.)

Рис. Экосистема

Структура экосистемы формируется потоком энергии и круговоротом веществ.

Экосистема – это надорганизменная система, в которой биотический компонент представлен биоценозам, а абиотический – биотопом.

Часто экосистему выделяют внутри естественных границ. Например, границей озера служит береговая линия, а города – административные границы.

Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя экосистемами называется экотоном.

Экотон является местом обитания растений и животных смежных экосистем. Кроме того, в этой зоне появляются свои организмы, которые не живут в соседних экосистемах. Поэтому обычно экотон характеризуется большим разнообразием организмов, чем близлежащие территории.

Биосфера – это глобальная экосистема, включающая все живые организмы Земли, взаимосвязанные с физической средой. Биосфера является системой жизнеобеспечения Земли. Обычно ее подразделяют на атмосферу (гр. aer – воздух), гидросферу (гр. hydor – вода) и литосферу (гр. lithos – камень).

Организмы живут лишь в приземных слоях атмосферы, в гидросфере и в верхней части литосферы. Практически вся жизнь сосредоточена в тонкой прослойке воздуха, воды и горных пород. Если представить себе всю Землю размерами с яблоко, то биосфера была бы не толще яблочной кожуры.

Главная цель экологии – узнать, как работают экосистемы биосферы.

Обычно ученые изучают это, исследуя природные (леса, пустыни, степи, озера, реки, океаны) или созданные человеком (сельскохозяйственные поля, поселки, города) экосистемы. Какие организмы обитают в экосистемах? Каким образом они получают необходимые для жизни ресурсы веществ и энергии? Как эти организмы взаимодействуют друг с другом и с окружающей их неживой природой? Какие изменения будут происходить в экосистемах с течением времени? Экология пытается получить ответы на эти и другие вопросы о функционировании экосистем.

Для решения экологических проблем глобального уровня прежде всего надо изучить экосистемный уровень организации жизни.

Состав экосистемы, как сказано выше, представлен двумя группами компонентов: абиотическими – компонентами неживой природы и биотическими – компонентами живой природы.

Абиотические компоненты – это химические и физические элементы неживой природы:

- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и неживой материей: диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.;

- органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем: углеводы, жиры, аминокислоты, белки, и др.;

- поток энергии;

- воздушная, водная или твердая среда обитания;

- климатический режим: солнечный свет, испарения, ветер, температура, влажность, осадки, водные течения и др.

Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2.4).

Р ис. Биотические компоненты экосистем

Первая группа организмов – продуценты (лат. producens – создающий, производящий), или автотрофные организмы (гр. autos – сам, trophe – пицца), т.е. «сами являющиеся пищей».

Продуценты, или автотрофы – это такие организмы, которые в качестве питательного материала используют простые неорганические вещества: воду, углекислый газ, нитраты, фосфаты и др. В качестве энергетического материала продуценты используют либо солнечный свет, либо энергию химических реакций. Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофов.

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала – в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества – углеводы, или сахара (CH₂O)_n, которыми питаются животные:

nCO₂ + nH₂O = (CH₂O)n + nO₂

Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиаки до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + Q₁,

2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Q₂.

Химическая энергия (Q), выделенная при этих реакциях, используется бактериями для синтеза органических веществ.

Главная роль в создании органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика. Каждый год фотесинтезирующими организмами на Земле создается около 150 млрд т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.

Вторая группа организмов – консументы (лат. consume – потреблять), или гетеротрофные организмы (гр. heteros – другой, trophe – пища), т.е. «питающиеся другими».

Консументы, или гетеротрофы используют в качестве источника и энергии, и питательного материала готовое органическое вещество. Консументы осуществляют процесс разложения органических веществ. Их делят на фаготрофов (гр. phagos – пожирающий) и сапротрофов (гр. sapros – гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся крупны животные – макроконсументы.

Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков. К этой группе относятся как мелкие организмы (муравьи, черви и др.), так и крупные животные (гиены, шакалы, вороны и др.)

Третья группа организмов – редуценты (лат. reductio – восстановление), или деструкторы (лат. destructio – разрушение).

Редуценты, или деструкторы – это консументы, участвующие в последней стадии разрушения, т.е. в минерализации органических веществ, которые они восстанавливают до неорганических соединений (CO₂, H₂O и др.) Редуценты очищают природную среду от отходов, они возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Таким образом жизненный цикл возобновляется.

К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы. Их выделяют в отдельную группы потому, что роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без них в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.

Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что процессы образования и разложения органических веществ, т.е. автотрофные и гетеротрофные процессы, обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, куда проникает солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях экосистемы: почва, донных отложениях. Кроме того, эти процессы разделены во времени, поскольку существует временной разрыв между образованием органических веществ растениями и разложением их животными организмами.

Например, в пологе леса лишь небольшая часть зеленой массы немедленно используется животными, паразитами и насекомыми. Большая часть образованного материала (листья, древесина, семена, корневища и др.) не потребляется сразу и переходит в почву или в донные осадки. Могут пройти недели, месяцы, годы или даже тысячелетия, прежде чем накопленное органическое вещество будет использовано.

Следовательно, с точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса:

верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл; здесь преобладают фиксация света, использование простых неорганических соединений и синтез органических веществ, т.е. накопление солнечной энергии в сложных фотосинтезируемых веществах;

нижний, гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами в наземных экосистемах и донными осадками – в водных. В них преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.

Живые и неживые компоненты экосистем так тесно переплетены друг с другом в единый комплекс, что разделить их крайне трудно. Большая часть входящих в состав живых организмов химических элементов и органических соединений, называемых биогенными веществами, встречается как внутри, так и вне живых организмов и образует постоянный поток между живым и неживым. В то же время некоторые вещества могут принадлежать только одному из этих состояний. Например, АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) встречаются только в живых клетках, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и хлорофилл не функционируют вне живых клеток, а гумус никогда не встречается в организмах.

Образование и разложение органических веществ, или взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов – наиболее важная функция экосистем, обусловленная именно их эмерджентными свойствами.

Образование органических веществ на свету называется фотосинтезем (гр. – свет, - соединение).

Фотосинтез есть накопление части солнчной энергии путем превращения ее в потенциальную энергию химических связей органических веществ.

Фотосинтез – необходимое связующее звено между живой и неживой природой. Нобелевский лауреат А. Сент-Дьердьи писал: «Жизнь движет слабый непрекращающийся поток солнечного света».

Значение фотосинтеза не осознавалось до сравнительно недавнего времени. Аристотель и другие ученые древней Греции полагали, что растения добывают свою «пищу» из почвы. Около 350 лет назад голландский естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644) доказал, что не одна почва кормит растения. Он выращивал маленькое дерево ивы в глиняном горшке, поливая его только водой. Через 5 лет масса дерева увеличилась на 74,4 кг, а масс почвы уменьшилась только на 57 г. Гельмонт решил, что все вещество растения образуются из воды.

В конце XVIII столетия английский ученый Джозеф Пристли (1733-1804) открыл, что растение «исправляют» воздух. В закрытом сосуде свеча гасла, а после того как туда помещали веточку мяты, свеча могла снова гореть. Опыт Пристли впервые позволил логически объяснить, почему воздух на Земле остается «чистым», несмотря на горение бесчисленных огней и дыхание множества животных, выделяющих CO₂. Когда ученого награждали за открытие, он произнес: «Растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу» А в 1796 г. голландский врач Ян Ингенахауз (1730-01799) обнаружил, что воздух «исправляется» только на солнечном свету и только зелеными частями растений.

Затем было обнаружено, что в образующихся при фотосинтезе органических веществах соотношение углерода, водорода и кислорода таково, что на 1 атом углерода приходится как бы 1 молекула воды (CH₂O), откуда и название сахаров – «углеводы». Считалось, что углеводы образуются из углерода и воды, а кислород выделяется из CO₂.

Позже английский медик Корнелиус ван Ниль, изучая фотосинтезирующие бактерии, показал, что в результате фотосинтеза серные бактерии выделяют серу, а не кислород:

_{Q солн}

CO₂ + 2H₂S  (CH₂O) + H₂O + 2S

Он предположил, что не CO₂, а вода разлагается при фотосинтезе, и предложим следующее суммарное уравнение фотозинтеза:

_{Q солн}

CO₂ + 2H₂A  (CH₂O) + H₂O + 2A

Для водорослей и зеленых растений H₂A – это вода (H₂O), для пурпурных серных бактерий H₂A – сероводород (H₂S), а для других бактерий это может быть свободный водород или другое окисляемое вещество. Эта идея в 30-х годах нашего столетия была подтверждена экспериментально с использованием тяжелого изотопа кислорода (¹⁸O):

_{Q солн}

CO₂ + 2H₂¹⁸O  (CH₂O) + H₂O + ¹⁸O₂

Простейший углевод – глюкоза – имел форму (CH₂O)₆ или C₆H₁₂O₆, поэтому суммарное уравнение фотосинтеза стали записывать так:

_{Q солн}

6CO₂ + 6H₂O  C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и др.) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов, населяющих нашу планету.

Разложение органических веществ происходит в процессе метаболизма (гр. metabol – изменение) в живых клетках.

Метаболизм – это совокупность биохимических реакций и преврацений энергии в клетках живых организмов, сопровождающихся обменом веществ между организмами и средой.

Сумма реакций, ведущих к распаду или деградации молекул и выделению энергии, называется катаболизмом, а реакций, приводящих к образованию новых молекул, - анаболизмом.

Превращения энергии в биохимических реакциях осуществляются путем переноса электронов с одного энергетического уровня дна другой или от одного атома или молекулы – к другим. Вещество, отдающее электроны, называется донором, а принимающее электроны – акцептором.

Энергия органических веществ выделяется в метаболических процессах при дыхании организмов.

Дыхание это процесс, в результате которого энергия, выделенная при распаде органических веществ, передается на универсальную энергонесущую молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), где она хранится в виде высокоэнергетических фосфатных связей.

Так, например, при разложении 1 моля глюкозы выделяется 686 ккал свободной энергии (1 ккал = 4,18710³ Дж). Если бы эта энергия выделялась быстро, то большая часть ее рассеялась бы в виде тепла. Это не принесло бы пользы клетке, а привело бы к гибельному для нее повышению температуры. Но в живых системах есть сложные механизмы, которые регулируют многочисленные химические реакции таким образом, что энергия хранится в химических связях и затем может выделяться постепенно, по мере необходимости.

У млекопитающих, птиц и некоторых других позвоночных теплота, выделяемая при дыхания, тем или иным путем сохраняется, и поэтому температура тела, как правило, выше температуры окружающей среды. У растений скорость дыхания невелика, поэтому выделяемая теплота обычно не накапливается и не влияет на температуру растений.

Дыхание может происходить в аэробных (в присутствии кислорода) и в анаэробных (бескислородных) условиях.

Аэробное дыхание – процесс, обратный нормальному фотосинтезу, т.е. синтезированное органическое вещество (C₆H₁₂O₆) вновь разлагается с образованием CO₂ и H₂O и высвобождением потенциальной энергии Q_пот, аккумулированной в этом вещества. Акцептором электронов является кислород:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂  6CO₂ + 6H₂O + Q₁,

при этом Q₁ = Q_пот = 686 ккал/моль.

В отсутствие кислорода процесс может идти не до конца. В результате незавершенного дыхания образуются органические вещества, содержащие некоторое количество энергии, которая может быть использована другими организмами.

Анаэробное дыхание протекает без участия газообразного кислорода. Акцептором электронов служит не кислород, а другое вещество, например, уксусная кислота:

C₆H₁₂O₆ + CH₃COOH  4CO₂ + 4CH₄ + Q₂.

При этом Q₂<Q_пот, а выделяющийся метан обладает некоторым запасом энергии q₁ и может использоваться в качестве топлива или самопроизвольно окисляться и воспламеняться в природе:

CH₄ + 2O₂  CO₂ + 2H₂O + q₁.

Бескислородное дыхание служит основой жизнедеятельности многих сапротрофов (бактерий, дрожжей, плесневых грибков, простейших), но может встречаться и в тканях высших животных.

Брожение – это анаэробное дыхание, при котором органическое вещество само служит и донором, и акцептором электронов:

C₆H₁₂O₆  2C₂H₅OH + 2CO₂ + Q₃.

При этом Q₃<Q_пот, а образующийся спирт также содержит некоторое количество энергии q₂, которая может быть использована другими организмами:

C₂H₅OH + 3O₂  2CO₂ + 3H₂O + q₂.

Разложение может быть результатом не только биотических, но и абиотических процессов. Так, например, степные и лесные пожары возвращают большое количество CO₂ и других газов в атмосферу и минеральных веществ в почву. Они – важный, а иногда даже необходимый, процесс в экосистемах с такими физическими условиями, при которых микроорганизмы не успевают разлагать образующиеся органические остатки. Но окончательное разложение отмерших растений и животных осуществляется гетеротрофными микроорганизмами – редуцентами.

Разложение органических веществ есть процесс, в результате которого организмы получают необходимые химические элементы и энергию при преобразовании пищи внутри клеток их тела.

Если бы эти процессы прекратились, то все биогенные элементы оказались бы связанными в мертвых остатках, а продолжение жизни стало бы невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, разлагают органические вещества до минеральных. Процессы образования органических веществ и их распад называют также процессами продукции (лат. productio – создание, производство) и деструкции (лат. destructio – разрушение).

Саморегуляция экосистем обеспечивается внутренними механизмами, устойчивыми взаимодействиями между их компонентами, трофическими и энергетическими связями.

Экосистемы, популяции и организмы имеют кибернетическую природу (гр. kybernetike – искусство управления) и характеризуются развитыми информационными сетями, состоящими из потоков физических и химических сигналов, связывающих все их части в единое целое. Эти потоки («невидимые провода природы») управляют системой, подобно тому, как гормональная и нервная системы связывают все части организма и управляют им.

Для обеспечения работы информационной связи необходимы три элемента: рецептор, который воспринимает сигнал изменения или нарушения в системе; анализатор, который принимает, оценивает и анализирует информацию, посылаемую рецептором, и преобразователь, который изменяет или восстанавливает нарушенное состояние системы и с помощью обратного сигнала подает информацию анализатору.

Например, при повышении температуры тела рецептор кожи посылает информацию по «нервным проводам» в определенный участок мозга – анализатор. Последний, в свою очередь, посылает информацию преобразователю – потовыделяющим железам. Пот испаряется, и организм охлаждается. Когда температура нормализуется, кожные рецепторы посылают новую информацию в мозг, который подает сигнал обратной связи для прекращения потоотделения.

В экосистемах управление также основано на обратных связях, когда часть сигналов с выхода из системы вновь поступает на вход, регулируя состояние системы на выдохе. Этот процесс обычно изображают обратной петлей, через которую «стекающая вниз» во вторичную субсистему информация вновь подается на первичную субсистему (рис.)

Н изкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетические реакции, очень распространены в природе. Например, каждый год на планете миллионы людей и животных гибнут от различных инфекций в результате заражения и последующего самозаражения микроскопическими паразитами, составляющими малую долю от потока энергии в экосистемах (0,01 – 0,1%).

Рис. 2.5. Управляющие механизмы экосистем с помощью обратной связи (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Обратные информационные связи необходимы для сохранения равновесия в экосистемах. Обратные связи бывают положительными и отрицательными.

Положительная обратная связь является как бы «саморазгоняющейся». Она усиливает однонаправленные изменения в системе дополнительной информацией, поступающей с выхода системы на вход. Например, страна А увеличивает производство вооружения. Это служит сигналом стране Б для выпуска дополнительного вооружения, что является сигналом обратной положительной связи для страны А, которая начинает производить еще больше оружия. Соответственно и страна Б наращивает вооружение и т.д. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока одна или обе страны не обанкротятся или не подорвут себя и соседние страны. Положительная обратная связь может «расшатывать» систему и даже разрушать ее, если не поступят сигналы обратной отрицательной связи. В приведенном примере сигналом отрицательной обратной связи может служить банкротство одной из стран, которое приведет к снижению гонки вооружения в обеих странах.

Положительная обратная информационная связь не всегда губительна. Так, если вы вызываете положительные эмоции у делового партнера, он отвечает вам взаимностью, что вызывает у вас ответную реакцию, деловой интерес возрастает у обоих компаньонов и т.д. Положительная обратная связь усиливает положительные отклонения и в значительной степени определяет рост и выживание организмов, хотя может приводить и к нарушению равновесия. Для осуществления контроля необходима отрицательная обратная связь.

Отрицательная обратная связь – это поток информации в систему, противодействующий изменениям внешних условий. Она помогает избегать перегрева организма или термостата, перепроизводства продукции, перенаселения и т.д. Устройства для управления с помощью обратной связи в технике называют сервомеханизмами. Для живых систем используют термин гомеостатические механизмы, поддерживающие стабильное состояние.

Сервомеханизмы, как и отдельные организмы, имеют механические или физиологические регуляторы, расположенные в «постоянной точке». Например, для поддержания постоянной температуры в помещении, термостате или холодильнике терморегулятор управляет нагревательным прибором, отключая или включая его.

Гомеостаз – это регуляторные механизмы живых систем. У теплокровных животных регуляция температуры тела осуществляется специальным центром в мозгу. Другие центры поддерживают постоянное кровяное давление, сердечный ритм и т.д. В экосистемах в результате взаимодействия круговорота, потоков энергии и сигналов обратной связи от субсистем возникает саморегулирующийся гомеостаз без регуляции извне из «постоянной точки».

Гомеостаз – это способность популяции или экосистемы поддерживать устойчивое динамическое равновесие в изменяющихся условиях среды с помощью обратных связей.

В число управляющих механизмов на уровне экосистемы входят, например, такие субсистемы, как редуценты, регулирующие накопление и высвобождение биогенных элементов, необходимых растениям. Субсистема «хищник – жертва» (волк – заяц) управляет плотностью популяций и хищника, и жертвы.

В отличие от созданных человеком кибернетических устройств, управляющие функции экосистемы диффузны и находятся внутри нее, а не направлены извне. Для поддержания гомеостаза в природе не требуется внешнее управление (рис.)

Рис. Гомеостаз в популяции животных, регулируемый доступностью пищи

Природа чрезвычайно вынослива. Живые организмы, популяции, экосистемы могут достаточно долго, но не беспредельно, поддерживать динамическое равновесие.

Итак, все живые существа и человек в том числе, так же как и экосистемы, являются саморегулирующимися гомеостатическими системами, поддерживающими равновесие главным образом за счет отрицательных обратных связей.

Следовательно, экосистемы способны поддерживать относительную стабильность своего состояния.

Антропогенные экосистемы обладают теми же основными признаками, что и природные: определенной структурой биоценоза (продуценты, консументы, редуценты), потоком энергии и круговоротом веществ. Однако имеются и различия. Проследим черты сходства антропогенных и природных экосистем и их отличия на некоторых примерах.

Г ород, особенно промышленный, является гетеротрофной экосистемой, получающей энергию, пищу, воду и другие вещества с больших площадей, находящихся за его пределами. Город отличается от природных гетеротрофных систем, примером которых может случить устричная банка (рис.).

Рис. Гетеротрофные экосистемы (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями):

А – устричная банка; Б – промышленный город

Устричная банка целиком зависит от поступления энергии с большой площади окружающей среды. Существование города также поддерживается колоссальным притоком энергии извне, при этом возникает и огромный отток в виде тепла, промышленных и бытовых отходов. Однако потребности 1 м² города в энергии примерно в 70 раз превышают потребности устричной банки такой же площади и составляют около 4000 ккал/сут, а год – около 1,5 млн ккал.

Большинство городов имеют «зеленый пояс», т.е. автотрофный компонент: газоны, парки, пруды, озера и т.п. Но органическая продукция этого зеленого пояса не играет никакой роли в снабжении энергией механизмов и людей, населяющих город. Городские парки представляют в основном лишь эстетическую и рекреационную ценность, смягчают колебания температуры, уменьшают загрязнения и шумовое воздействие, являются местом обитания птиц и животных. Труд и горючее, затрачиваемые на их содержание, лишь увеличивают расходы на жизнь города. Ежегодные энергетические дотации для газона (труд, бензин, удобрения и т.п.) оцениваются приблизительно в 530 ккал/м². Без огромных поступлений извне пищи, горючего, электричества и воды люди погибли бы или покинули город.

Хотя площадь суши, занятая городами, не так уж и велика (1-5%), но, воздействуя на свои обширные пригородные зоны, они изменяют водные пути, леса, поля, атмосферу и океан. Город может влиять на удаленный лес не только непосредственно загрязнением воздуха или использованием продуктов леса и древесины, но и изменяя состав деревьев в нем. Например, спрос на бумагу оказывает экономическое давление: естественные леса, состоящие из деревьев разных пород и возраста, превращаются в плантации деревьев одного вида и возраста.

Гектар города потребляет приблизительно в тысячи раз больше энергии, чем такая же площадь сельской местности. Образующиеся в результате функционирования города тепло, пыль и другие вещества, загрязняющие воздух, заметно изменяют климат городов. В городах теплее, повышена облачность, меньше солнца, больше тумана, чем в прилегающей сельской местности. Строительство городов стало основной причиной эрозии почвы.

Размеры загрязнения среды на выходе города зависят от интенсивности его жизнедеятельности и степени технического развития. Отсутствие очистных сооружений для сточных вод и выбросов в атмосферу, переработки твердых отходов приводят к сильному негативному воздействию на среду в окрестностях города.

Город практически не производит пищу, он только перерабатывает ее, не очищает воздух, почте не возвращает в круговорот воду и органические вещества, но находится в симбиотических отношениях с окружающей сельской местностью. Он производит и вывозит товары и услуги, деньги и культурные ценности, обогащая этим сельское население и получая взамен услуги и пищу.

Город можно рассматривать как экосистему только в том случае, если учитываются его обширные пригороды. Одно из имеющихся, к сожалению, препятствий для такого разумного подхода – порочное административное разделение между городом и сельской местностью. Пока городские и областные лидеры не научатся ставить общие интересы выше частных, управление городом и областью как единой функциональной экологической системой не может быть реализовано.

Агроэкосистемы, в отличие от городов, являются автотрофными экосистемами, т.е. обладают обширными «зеленым поясом». Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем (лес, луг, поляна), работающих только на энергии Солнца. Они получают дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных, удобрений, пестицидов, орошающей воды, горючего, механизмов, машин и т.п. Для максимизации выхода какого-либо одного продукта человек резко снижает разнообразие организмов. Виды растений и животных подвергаются искусственному, а не естественному отбору. Сельское хозяйство использует только 30% свободной от льда суши планеты: около 10% – пахотные земли и приблизительно 20% – пастбища.

Условно агроэкосистемы можно разделить на два типа.

Агроэкосистемы доиндустриального периода используют дополнительную энергию в виде мышечных усилий человека и животных. Они поставляют продукты питания в основном для семьи фермера и частично – на рынок.

Интенсивные механизированные агроэкосистемы получают энергетические дотации в виде горючего, химикатов, работы машин. Эти высокопродуктивные системы производят продукты питания в основном на рынок; продукты питания превращаются в товар, играющий важную роль в экономике.

Доиндустриальное сельское хозяйство часто называют примитивным и направленным только на выживание. Тем не менее оно очень эффективно, если оценивать по количеству произведенной пищи на единицу затраченной энергии. Например, на огородах со смешанными культурами соотношение полученной и затраченной энергии может составлять 16:1. Напротив, многие механизированные агроэкосистемы потребляют часто не меньше энергии, чем возвращают в виде продуктов питания. Однако даже хорошо приспособленные доиндустиальные системы, эффективно использующие энергию, часто не могут производить достаточно использующие энергию, часто не могут производить достаточного количества избыточных продуктов питания, чтобы прокормить огромные города.

Таким образом, неиндустриализованное сельское хозяйство эффективно расходует энергию, но оно малотоварно. Как правило, такие агроэкосистемы дают меньший урожай на единицу площади, чем интенсивное механизированное сельское хозяйство. Но, выигрывая в одном, человек проигрывает в другом – ничто не дается даром. Поскольку в развитых странах и интенсивность энергетических субсидий, и урожай, видим, достигли максимума, повышение вкладов в сельское хозяйство может привести к уменьшению выхода продукции (отрицательная обратная связь).

Может ли человек искусственно создать полноценную экосистему вне биосферы? Является ми даже такая совершенная техногенная система, как космический корабль, в полной мере экосистемой? Может ли она долгое время функционировать за пределами биосферы? Попытаемся ответить на эти вопросы.

К осмический корабль, предназначенный для длительных путешествий, представляет собой как бы миниатюрную экосистему, включающую человека. Пилотируемые космические корабли в настоящее время снабжены модулями жизнеобеспечения запасающего типа: в них частично осуществляется регенерация воды и воздуха лишь физико-химическими методами. Для настоящих регенерационных экосистем, которые могли бы долгое время находиться в космосе, ничего не получая с Земли, потребовались бы сообщества растительных и крупных животных организмов, которые могли бы использоваться человеком в пищу, значительное видовое разнообразие их и большие емкости для воздуха и воды.

Основная задача, которую предстоит решить, – чем заменить буферную способность атмосферы и океана, благодаря которой очищаются отходы, стабилизируются и поддерживаются условия жизни в биосфере в целом. На Земле на 1 м² суши приходится более 1000 м³ буферной емкости атмосферы и почти 10000 м³ океана плюс большие объемы растительности (рис.).

Рис. Сравнительные объемы атмосферы и океана, приходящиеся на 1 м² суши (по Ю. Одуму, 1986)

Атмосфера, океан и растительность выполняют роль накопителей и регенераторов отходов. При длительном пребывании человека в космосе часть этой буферной функции должны взять на себя механические устройства, работающие на солнечной и возможно, атомной энергии.

Однако, по выводам Национального управления по аэронавтике США, на современном этапе развития невозможно создать безопасную и надежную закрытую экологическую систему жизнеобеспечения даже для использования ее на Земле. Создать миниатюрную модель биосферы, т.е. искусственную экосистему без притока и оттока вещества и энергии, с полной регенерацией отходов и регуляцией отходов и регуляцией условий, для использования ее в космосе не только сложно, но и очень дорого.

Правда, некоторые энтузиасты освоения космоса, например физик Дж. О’Нейл (1977), предсказывали, что в XXI веке возникнут космические поселения, обеспечиваемые функционированием тщательно отобранной биоты, свободной от паразитов и других непродуктивных организмов. Для поддержания таких поселений можно будет использовать солнечную энергию и минеральные богатства спутников планет Солнечной системы. В связи с тем что буферные объемы воздуха и воды будут невелики, возможность поддержания такого поселения без поступлений извне кажется сомнительной.

В заключении еще раз следует подчеркнуть, что функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех основных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ (рис.)

Рис. Блоковая модель экосистемы (по Ю. Одуму, 1985, с изменениями): А – автотрофы; Г – гетеротрофы; З – запасы питательных веществ

Поток энергии направлен в одну сторону, часть ее преобразуется автотрофами в органическое вещество, которое затем используется гетеротрофами. Но большая часть энергии покидает экосистему в виде рассеивающегося тепла.

В отличие от энергии, элементы питания и вода могут использоваться многократно.

Все экосистемы в составе биосферы являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из среды на входе и отдавать их в среду на выходе экосистемы. Экосистема не может быть герметичной, так как ее живое сообщество не вынесло бы такого заключения.

Преобразование энергии в экосистемах

Энергия (гр. – деятельность) – источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. С помощью энергии выращиваются продукты питания, необходимые человеку и другим организмам; поддерживается температура тела и обогреваются жилища; производится промышленная продукция; создаются сложнейшие технические сооружения и устройства, интеллектуальные и культурные ценности. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять круговорот веществ в природе и т.д.

Очевидно, что законы превращения энергии проявляются по всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия – движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Энергия – одно из основных свойств материи – способность производить работу.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики.

Законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Лауреат Нобелевской премии Ф. Садди писал: «Законы термодинамики определяют взлеты и падения политических систем, свободу и ограничения государств, развитие торговли и промышленности, причины богатства и нищеты, благосостояние человечества».

Для управления энергетическими процессами прежде всего необходимо понять роль энергии в экологических системах.

Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни людей наиболее соответствует природным возможностям биосферы. Ясно, что будущее зависит от объединения энергетика, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия – это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические – оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов функционирования систем, основанных на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив движение потоков энергии в природных экосистемах, можно познать многие законы, справедливые для антропогенных систем.

Несмотря на огромное разнообразие биосистем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Действительно, солнечная энергия Q_солн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентрированной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Q_солн = q_расс + q_конц.

Л учистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_солн). Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис.)

Рис. Действие законов термодинамики при фотосинтезе: Q_солн = q_расс + q_конц (первый закон); q_конц < Q_солн (второй закон)

То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйственных экосистемах. На рис. ___ показаны потоки энергии, обеспечивающие роботу фермы. Схема представляет четыре потока энергии, поступающие от солнца Q_солн, с дождем q_д, питательными веществами q_п.в, работой человека и машин q_ч, которые взаимодействуют в процессе производства продуктов питания.

Согласно первому закону термодинамики энергия, поступающая в систему из четырех источников, преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания q_п и рассеянную тепловую энергию qт:

Q_солн + q_д + q_п.в. + q_ч = q_т + q_п.

Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах питания, значительно меньше общего количества поступившей, которая превращается в основном в рассеянную тепловую энергию q_т:

q_п < Q_солн + q_д + q_п.в. + q_ч.

Р ис. Потоки энергии, обеспечивающие работу фермы (по Г. Одуму и Е. Одуму, 1978)

Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным светом и экологическим системами, внутри которых происходят превращения энергии света.

Отношения между растениями – продуцентами и животными – консументами управляются потоком аккумулированной растениями солнечной энергии. Весь живой мир получает необходимую энергию в основном из органических веществ, созданных растениями.

Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.

Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Например, наше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощностью 100 ватт – вот почему в переполненной людьми комнате жарко.

В технических системах происходит то же самое. При движении автомобиля в механическую энергию движения и электрическую энергию всех его систем превращается лишь около 10% энергии сгорающего бензина. Остальные 90% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются для нас в космическом пространстве. Энергия, потребленного бензина не исчезает, а превращается в формы, практически недоступные для использования. При горении электрической лампы только 5% электрической энергии, проходящей через проволоку лампы накаливания, превращается в полезное световое излучение, а 95% теряется в виде рассеянной тепловой энергии.

Рассеиваемая теплота есть энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла. При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»).

Для определения степени неупорядоченности состояния системы употребляют термин энтропия (гр. en – внутрь, trope – превращение). А тенденцию потенциальной энергии к деградации, к самопроизвольному превращению в рассеянную тепловую энергию к деградации, к самопроизвольному превращению в рассеянную тепловую энергию называют возрастанием энтропии.

Энтропия является физической мерой беспорядка, т.е. мерой количества связанной потенциальной энергии, которая становится недоступной для использования.

Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, характеризуются высокой энтропией (рис.).

Р ис. Примеры систем с низкой и высокой энтропией

Таким образом, в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энергии, которая переходит в менее полезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять работу. В то же время в природных экосистемах энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок, т.е. структуры, обладающие низкой энтропией.

Преобразования энергии в живой материи имеют свои особенности и на первый взгляд не согласуются с теорией классической термодинамики. К.М. Петров (1997) отмечает: «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями – это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина».

В соответствии с законами термодинамики дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму началу термодинамики энтропия будет расти, а запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан. Рост внутренней неупорядоченности приведет к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, к их разрушению, т.е. к «тепловой системе».

В соответствии с теорией эволюции направление развития разнообразных форм жизни в биосфере имеет противоположную тенденцию – от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики.

Многие теоретики давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. На недостаточность второго закона термодинамики еще в конце прошлого века обратил внимание украинский ученый С.А. Подолинский (1850 -1891). Он подчеркивал наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии: процессов накопления и концентрации солнечной энергии. С.А. Подолинский приложил законы энергии к экономическим явлениям и показал роль человеческого труда в аккумуляции полезной энергии: расширении запасов продуктов питания, повышении количества концентрированной солнечной энергии, в том числе с помощью гелиотехники.

К.А. Тимирязев (1903), анализируя термодинамические функции хлорофиллового аппарата растений, считал их антиэнтропийными процессами, так как они приводят не к рассеиванию, а к концентрации солнечной энергии.

В.И. Вернадский (1928) подчеркивал, что появление жизни на Земле связано с накоплением в биосфере «активной энергии» при одной и той же исходной энергии Солнца.

А.Е. Ферсман (1937) писал, что процессы биогенеза привели к тому, что «сложные органические соединения живого вещества оказались с еще большими запасами энергии, и законы энтропии если не нарушаются, то во всяком случае замедляются процессами жизни».

Уникальные функции преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Все формы жизни – это крошечные «хранилища» порядка, который поддерживается созданием моря беспорядка в окружающей среде. Чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергией. Следовательно, современные промышленно развитые сообщества повышают энтропию окружающей среды, т.е. разрушают ее в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожин (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипативными структурами» (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т.е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т.е. рассеивает тепло.

Дыхание упорядоченной биомассы выполняет функции «диссипативных структур» экосистем.

Без дыхания энтропия любой биосистемы растет, и она в конце концов погибает.

В экосистеме отношения общего дыхания сообщества (Д) к его суммарной биомассе (Б), т.е. Д/Б, можно рассматривать как отношение затрат энергии на поддержание порядка, необходимого для жизнедеятельности, к потенциальной энергии, заключенной в биомассе, т.е. как меру термодинамической упорядоченности. Если в закрытой системе резко увеличивается биомасса (Б), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для поддержания упорядоченности системы (Д), которая постепенно разрушается и погибает.

Экосистемы с энергетической точки зрения представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне, в соответствии с законами термодинамики.

Для оптимизации использования энергии природная система создает хранилища концентрированной потенциальной энергии, часть которой тратится на получение новой и поддерживание порядка: обеспечивает круговорот веществ, обмен с другими системами, создает механизмы устойчивости и др.

Все типы не живых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них запасенной потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться и поддерживать порядок, а машины приходится ремонтировать за счет внешней энергии.

Живая материя отличается от неживой прежде всего способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать, чтобы противостоять росту энтропии внутри себя.

Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулированной живыми организмами энергии.

Качество энергии – ее способность совершать работу, т.е. ее эксергия (гр.ex – высшая степень, ergon – работа).

Экчергия – это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде.

Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока. А чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высока и температура тоже высока.

Если количество энергии Q имеет высокую температуру Т_В, а температура окружающей среды Т_О меньше Т_В, то система совершает работу А₁=Q(Т_В-Т_О)/Т_В. Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_Н<Т_В, то при условии ТН>ТО система выполнит работу А₂=Q(Т_Н-Т_О)/Т_Н. Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией А₁, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии А₂, так как при одном и том же количестве энергии Q эксергия ее в первом случае больше.

Безразмерная величина (Т_В-Т_О)/Т_В или (Т_Н-Т_О)/Т_Н может характеризовать эксергию, или качество энергии Q. Она выражается в долях (меняется от 0 до 1) или процентах (от 0 до 100%). При Т_В=Т_О или Т_Н=Т_О не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина (Т-ТО)/Т будет приближаться к предельному значению, т.е. к 1 (или 100%).

Энергия высокого качества характеризуется высокой эксергией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергии являются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, сконцентрированная солнечная энергия, ядра урана-235, высокотемпературное тела.

Энергия низкого качества характеризуется низкой эксергией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропией. Носителем такой энергии является низкотемпературное тепло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Атлантическом океане больше количества энергии во всех нефтяных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое тепло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе.

Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энегргии более низкого качества. Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в экосистемах, образует порядок и повышает эксергию преобразованной части энергии.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии.

П реобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. ).

Р ис. Изменение количества и качества энергии в пищевой цепи (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Рис. Изменения количества и качества энергии в цепи генерации электричества (по Ю. Одуму, 1986, с изменениями)

Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного и в 100 раз меньше, чем для образования 1 ккал биомассы хищника. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений (рис. ). Рабочий потенциал электрической энергии также во много раз выше рабочего потенциала древесины (рис. ).

Потоки энергии в пищевых цепях

В естественных природных экосистемах не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, являются пищей для других организмов: листву поедает гусеница, гусеницу съедает дрозд, дрозд становится жертвой совы, сова – ястреба и т.д. Когда листья, гусеницы, дрозды и совы умирают, они перерабатываются редуцентами, возвращающими минеральные вещества растениям.

Перенос энергии пищи в процессе питания от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.

Трофические цепи – это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.

Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные и детритные (лат. detrytys – продукт распада).

Пастбищная цепь простирается от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).

Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества – детрита, который разрушается детритофагами ( лат. phagos – пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.

Все оргинизмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.

При каждом очередном переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии пищи рассеивается, переходя в теплоту.

Организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.

Так, зеленые растения – продуценты – занимают первый трофический уровень; травоядные животные – первичные консументы – второй; хищники – вторичные консументы – третий. Могут присутствовать хищники, поедающие первых хищников – третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т.д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. ).

Таблица

Распределение живых организмов по трофическим уровням

Трофические уровни	Функции организмов	Организмы	Примеры
I	Продуценты	Растения	Лиственные деревья, травы, водоросли
II	Первичные консументы	Растительноядные животные	Гусеницы, насекомые, заяц, корова, плотва
III	Вторичные консументы	Хищники 1-го порядка	Лиса, волк, дрозд, щука
IV	Третичные консументы	Хищники 2-го порядка	Гриф, сова, тигр
V	Четверичные консументы	Хищники 3-го порядка	Ястреб, акула, крокодил

Пищевые цепи знакомы каждому: человек может потреблять мясо коров, которые едят траву, улавливающую солнечную энергию, но он может использовать и более короткую пищевую цепь, питаясь зерновыми культурами. В первом случае он является вторичным консументом на третьем трофическом уровне, а во втором – первичным консументом на втором трофическом уровне. Но чаще всего человек является одновременно и первичным, и вторичным, и даже третичным консументом. Таким образом, поток энергии разделяется между двумя или несколькими трофическими уровнями в пропорции, соответствующей долям растительной и животной пищи и рационе.

Лучистая энергия, усваиваемая растениями – продуцентами, накапливаемая в химических связях органическими веществ, называется первичной продукцией, а всеми животными – консументами – вторичной продукции.

На рис. изображен принцип организации пищевой сети.

Более половины образующейся валовой первичной продукции П_В расходуется на дыхание растений Д₁. В результате чистая продукция углеводов растений П₁ определяется как разность между валовой продукцией и дыханием:

П₁=П_В-Д₁.

Экологические пирамиды отражают законы распределения количества энергии в пищевых цепях: показывают, что на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной в единицу времени, больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.

П ервоначально экологическая пирамида была построена Ч. Элтоном (1927) как пирамида чисел (рис. ). Позже строились пирамиды распределения по трофическим уровням биомасс и энергии.

Рис. Пирамида чисел Ч. Элтона (1927)

Но пирамиды чисел, как и пирамиды биомасс, не всегда имеют классический вид. Например, когда мелкие хищники живут за счет крупных животных, пирамида чисел может иметь вид перевернутой пирамиды. Для океана пирамиды биомасс также имеют перевернутый вид, так как там существуют тенденции к накоплению биомассы на высших трофических уровнях крупными растительноядными, как кит, например, или хищными, как акула, животными, длительность жизни которых велика, а скорость размножения мала, поэтому в их телах задерживается значительная часть веществ, поступающих по цепям питания. Лишь пирамиды накопленной энергии всегда имеют классический вид (рис. 3.10).

Р ис. 3.10. Пирамиды чисел, биомасс и энергии (по Ю. Одуму, 1975)

На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1% солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% от предыдущей. Если питательная ценность источника энергии велика, то эффективность ее усвоения может быть и выше, однако, средняя эффективность не превышает 10-20%.

Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10%». Согласно этому закону в среднем только 10% от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10^-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи: пять и очень редко шесть.

Важное экологическое значение имеет соотношение между долями аккумулированной энергии, расходуемой на продукцию и дыхание (П/Д). Часть энергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры биомассы, велика в популяциях крупных организмов (люди, деревья). А в популяциях мелких организмов (бактерии, водоросли) сравнительно велика доля энергии, идущей на образование продукции.

У молодых затраты на рост могут достигать значительных величин, в то время как взрослые используют энергию пищи почти исключительно на дыхание. Интенсивность образования продукции снижается с возрастом. При стрессовых воздействиях на систему возрастает дыхание.

Следует учитывать, что желание повысить продукцию пищи (П), например в агроэкосистемах, обязательно обернется увеличением затрат на поддержание их структуры (Д). Может наступить предел, после которого выигрыш от роста продукции сведется на нет ростом расходов на дыхание.

Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади [для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).

Единицами измерения могут быть: количество сконцентрированной в биомассе энергии (ккал/м²сут или ккал/м²год) или количество связанного в биомассе углерода (г С/м²сут или г С/м²год). Продуктивность растений можно выражать в количестве выделенного кислорода (г О₂/м²сут или г О₂/м²год). При этом 1 ккал энергии эквивалентна 0,1068 г углерода С и 0,2849 г кислорода О₂.

Следовательно, продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию к продукции органических веществ биомассы различных организмов. Различают следующие виды продукции:

Валовая первичная продукция - органическое вещество, которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.

Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.

Чистая первичная продукция экосистемы - это чистая первичная продукция органического вещества в экосистеме за вычетом той ее части, которая была ассимилирована консументами в единицу времени на единице площади или объема.

Вторичная продукция экосистемы - органическое вещество, синтезированное на уровне консументов в единицу времени на единицу площади или объема.

Чистая первичная продукция может считаться главным источником питания для животных. Эта величина используется для оценки потенциала пищевых ресурсов для животных и человека.

Лишь сравнительно небольшая часть биосферы является плодородной в естественных условиях. Продуктивность экосистем определяется лимитирующими факторами: наличием воды, питательных солей, интенсивностью солнечной радиации, способностью системы использовать биогенные вещества и др.

Лимитрующие факторы в разных экосистемах различны. В пустыне - это вода, в глубоководных зонах моря - освещенность и недостаток питательных солей, в Арктике и Антарктике - низкие температуры. Эти районы представляют собой, по существу, «биологические пустыни» с очень низкой среднегодовой первичной продукцией. Распределение первичной продукции в разных экосистемах мира показано на рис. 3.11.

С уммарные величины первичной продукции основных экосистем отличаются от их среднегодовой продуктивности. Так, суммарная продукция открытого океана составляет около 200 млрд ккал/год, а среднегодовая - не превышает 500 ккал/м² год, в то время как среднегодовая первичная продукция эстуариев составляет около 9000 ккал/м²год при суммарной продукции 20 млрд ккал/год. Эти цифры не должны вводить в заблуждение. Суммарная продукция океана велика потому, что его площадь составляет 71% поверхности планеты. Но его среднегодовая продуктивность с 1 м² очень низка. Добыча водорослей и трав, рассеянных на огромной площади, требует затрат энергии, намного превышающих количество химической энергии в собранных морских водорослях.

Рис. 3.11. Распределение валовой первичной продукции в различных экосистемах биосферы

Структура экосистемы также влияет на ее продуктивность. Первичная продукция лиственного леса обычно превосходит продукцию пшеничного поля благодаря наличию вертикальной ярусности, когда каждый ярус (деревья, кустарник, подрост, трава) поглощает некоторую часть солнечной энергии.

Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т.е. человечеству необходимо только на питание 610¹⁵ ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 710¹⁵ ккал первичного органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.

Описание потоков энергии является фундаментом экологического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов.

Знание законов продуктивности экосистем, возможность количественного учета потока энергии и ее распределения имеют чрезвычайное практическое значение. Первичная продукция агроценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечества. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительной пище. Пользуясь расчетами продуктивности экосистем, можно регулировать в них круговорот веществ, добиваясь выхода выгодной для человека продукции. Но необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы, чтобы не разрушить экосистемы.

Использовании энергией

Солнечный свет падает на планету с энергией 2 кал/см²мин (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется, и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67%, т.е. 1,34 кал/см²мин. Судьба солнечной энергии в биосфере такова: отражается 30%, превращается в теплоту 46%, расходуется на испарение воды, осадки 23%, преобразуется в энергию ветра, волн, течений 0,2%, идет на фотосинтез 0,8%.

Клетки растений, связывая на свету СО₂ и Н₂О, образуют гидраты углерода (СН₂О) - углеводы, т.е. строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а эксергия рассеянной энергии, экспортируемой в космическое пространство, снижается. Под воздействием определенных условий (температуры, давления и др.) в течение тысяч миллионов и миллиардов лет избыточные органические вещества превращались в торф, уголь, нефть, т.е. энергия концентрировалась и накапливалась в виде ископаемого топлива. В XX веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем, созданных человеком (городов, заводов, самолетов, автомобилей и т. п.), и постепенно истощались. Уже сейчас в поисках новых месторождений топлива мы все глубже вгрызаемся в землю, уходим в море. Поэтому освоение таких ресурсов становится все более дорогостоящим. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и др.) за счет небольшого количества (0,8%) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, в дополнение к первичной солнечной энергии, согревающей Землю, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа. Источником некоторого количества энергии является сжигание потенциально возобновляемой биомассы: дров, навоза, отмерших растений, мусора. Небольшое количество электроэнергии дают гидроэнергетика и управляемая энергия атома. И совсем ничтожное количество (около 1%) поступает от использования внутреннего тепла Земли (геотермальная энергия) и сконцентрированной с помощью гелиотехники солнечной энергии. Но на добычу и преобразование энергии этих источников тоже требуется энергия. Поэтому практический коэффициент полезного действия зависит от величины полученной чистой энергии.

Ч истая энергия - это полезная энергия на выходе из системы после вычета всех энергозатрат на ее добычу и преобразование. На создание источника энергии, ее получение, подготовку к использованию, транспортировку и др. приходится также затрачивать энергию (рис. 3.12).

Рис. 3.12 Выход чистой энергии: Э_ист – источник энергии; Э_ш – энергетический штраф; Э_чист – чистая энергия

Энергию обратной связи Э_ш, необходимую для преобразования энергии и эксплуатации источника энергии, называют энергетическим штрафом. Чистая энергия рассчитывается как разница между добытой энергией из источника и энергетическим штрафом: Э_чист=Э_ист-Э_ш. Для того чтобы источник функционировал, выход чистой энергии должен как минимум в 2 раза превышать «штраф»: Э_чист  2Э_ш. Например, если для извлечения 12 единиц нефти путем глубокого бурения океанского дна требуется израсходовать 10 единиц горючего, ясно, что такой источник не решит проблем нехватки топлива.

Нехватка топлива побуждает иногда перерабатывать в горючее пищевую продукцию. Но исследования показали, что на производство спирта, например из кукурузы, для спирто-бензиновой смеси уходит столько же высококачественной энергии, сколько заключено в получаемом спирте, или даже больше. Поэтому чистый выход энергии практически отсутствует. Смесь бензина со спиртом для заправки автомобилей продается, однако, в «зерновом поясе» США, так как там имеются излишки зерна, которые не могут быть реализованы на мировом рынке, хотя с точки зрения экологов это неразумно и экономически нерентабельно.

Мы привыкли отождествлять энергию, затрачиваемую в процессе производства, с энергией топлива или электроэнергией, забывая об энергии человеческого труда и использованных материалов. На самом деле энергия всех видов, затраченная на поиски, добычу, переработку и перевозку топлива, может превышать энергию, получаемую при его сжигании. Очевидно, например, что энергетические затраты на движение автомобиля гораздо больше, чем затраты бензина. Они включают в себя энергию, затраченную на проектирование и производство автомобиля, запасных частей, обучение шофера и подготовку ремонтных рабочих, на создание автомобильных дорог и другие работы.

Ошибка людей, определяющих те или иные затраты на какие-либо процессы, связана с тем, что они упускают из вида многообразие фактически расходуемой энергии. Кажется, например, что деятельность по обучению людей связана лишь с затратами энергии преподавателей. В действительности же эта энергия гораздо больше и включает в себя энергию различных форм деятельности в сфере образования, в том числе и энергетические затраты на материальное обеспечение обучения.

Энергетические процессы рассматривают обычно как чисто физические и часто не предполагают, что мышление - это также энергетический процесс. Развитие умственных способностей связано с большими энергозатратами. Интеллектуальный труд является процессом, где используются высококачественные формы энергии. Ум и знание концентрируют в себе энергию, затраченную на обучение и приобретение опыта многими поколениями.

Большинство достижений экономики основано на применении многих высококачественных интеллектуальных и других дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции. Чем больше высококачественных форм энергии расходуется при производстве продукции, тем выше должна быть ее стоимость.

К сожалению, в некоторых странах, в том числе и в России, интеллектуальный труд оценивается значительно ниже, чем физический, хотя качество используемой энергии в первом случае выше, чем во втором. Несоответствие экономических правил фундаментальным законам природы в конечном счете может приводить к низкой эффективности экономических систем.

Следовательно, проблема не в том, много ли нефти в недрах Земли, и не в количестве энергии, высвобождаемой при расщеплении урана; проблема в том, сколько высококачественной энергии можно получить из этих источников после того, как будут уплачены все «энергетические штрафы», связанные в том числе с охраной здоровья людей и обработкой отходов. Поэтому в данном случае, как и в случае биологической продуктивности экосистем, нас должно заботить не валовое количество получаемой энергии, а количество полученной чистой энергии.

Эффективность использования энергии определяется соотношением полезной работы и величины всех энергетических затрат при ее выполнении.

Чем больше отношение количества полезной работы ко всему количеству энергии, затраченной на ее производство, тем выше эффективность использования энергии.

Показателем энергоэффективности является отношение количества полезной энергии на выходе системы ко всей полезной энергии на входе.

Энергоэффективность зависит также от соответствия качества энергии качеству выполняемой работы.

Для выполнения различных видов работы может применяться энергия разного качества. Чтобы горел свет, работали электродвигатели, электронные приборы, двигались автомобили и летали самолеты, требуется высококачественная концентрированная энергия. А для отопления жилых и других помещений можно использовать менее качественное низкотемпературное тепло (менее 100°С). Необходимость в высококачественной концентрированной энергии для поддержания жизнедеятельности городов и всего современного общества, потребует рано или поздно разработки способов концентрации энергии низкого качества.

Но, пока недостаточно разработаны технологии концентрации энергии, можно использовать и низкокачественную энергию для «низкокачественных» работ.

Пассивные системы могут улавливать первичную солнечную энергию, сохранять ее и использовать для обогрева зданий и нагревания воды без каких-либо дополнительных механизмов. Примером может служить хорошо изолированный герметичный дом с тройными оконными рамами, обращенными к солнцу, и использование камня, цемента или воды в таких домах для накопления и затем медленной отдачи тепла. Специально спроектированные и устанавливаемые на крышах зданий коллекторы также могут концентрировать прямую солнечную энергию для нагревания воды и внутренних помещений. Особые солнечные фотоэлементы могут непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Коэффициенты полезного действия различных по качеству видов энергии могут резко различаться в зависимости от выполняемых работ.

Сравним энергоэффективность обогрева хорошо изолированного дома за счет прямой солнечной энергии, поступающей через обращенные к солнцу окна, и энергоэффективность обогрева за счет электроэнергии, выработанной АЭС и поступающей к дому по линии электропередач и превращенной затем в н изкотемпературное тепло (рис. 3.13).

Рис 3.13 Энергоэффективность обогрева дома за счет солнечной энергии и за счет электроэнергии АЭС (по Т. Миллеру, 1990, с изменениями)

Анализ рис. 3.13 показывает, что чем больше ступеней в процессе преобразования энергии, тем больше ее превращается в бесполезное рассеянное тепло, тем меньше показатель эффективности ее использования, т. е. практический коэффициент полезного действия.

Превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую энергию с температурой в несколько тысяч градусов и затем - в низкокачественное низкотемпературное тепло (на уровне 20°С) для обогрева дома - чрезвычайно расточительный процесс. Использовать эту энергию для обогрева домов все равно, что стрелять из пушек по воробьям. Солнечная же энергия, поступающая естественным путем, может дать в данном случае необходимое количество тепла без больших его потерь в окружающую среду.

Прямая солнечная энергия - это один из наиболее эффективных и дешевых способов отопления зданий, применяющийся тысячелетиями.

Однако прямую солнечную энергию нельзя применять для получения высокотемпературного тепла для нужд промышленного производства и транспорта. Чтобы использовать солнечный свет для этих целей, его нужно сконцентрировать на гелиоустановках (гр. helios - солнце). В этом случае эффективность использования энергии будет очень низкой, так как, чтобы принять и сконцентрировать в определенном месте слабый по интенсивности поток солнечной энергии, необходимо много денег и высококачественной энергии топлива для добычи, обработки и перевозки материалов, используемых для создания громадных антенн, фокусирующих зеркал, труб и прочего оборудования, не считая затрат интеллектуальной энергии на разработку проектов.

Эффективность использования того или иного энергоносителя для различных видов работ зависит также от его доступности и удаленности от потребителей. Так, использование нефти пока довольно рентабельно, так как в основном она поступает из богатых и легкодоступных месторождений (Саудовская Аравия и другие районы Среднего Востока). Когда эти источники истощатся, цены на нефть возрастут, так как ее придется добывать из менее богатых, глубоко залегающих месторождений или в суровых отдаленных районах (Арктика, Аляска, Северное море и др.). Потребуется гораздо больше денег и высококачественного топлива на ее добычу и доставку потребителям. Рентабельность использования такой энергии упадет.

Н а рис. 3.14 приведены коэффициенты рентабельности для различных видов энергии, используемых в разных целях.

Рис. 3.14. Коэффициенты рентабельности энергии при различных видах работ (по Т. Миллеру, 1990, с изменениями)

Если бы специалистов попросили перечислить три устройства с наибольшими потерями энергии, они, вероятно, назвали бы следующие: 1) лампы накаливания (потери 95%), 2) машину с двигателем внутреннего сгорания (теряется 90%) и 3) АЭС, используемую для обогрева зданий и воды (теряется 90%).

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом - использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Горючие ископаемые и атомная энергия должны идти в основном на поддержание механизмов, требующих высококачественной энергии (самолетов, космических кораблей, автомобилей и др.); не следует их тратить в котельных и печах там, где обогревать дома может Солнце. Запасы нефти и угля сохранятся дольше и позволят выиграть время для разработки технологий получения высококачественной энергии.

Одновременен необходимо разрабатывать меры по сохранению как количества, так и качества энергии. Сохранение количества энергии - обычная экономия энергии, т. е. искусство сбережения, снижения утечек, потерь и др. Сохранение качества энергии - это задача устранения ее деградации, потерь рассеивающегося тепла. Энергию высокого качества нельзя использовать вторично, но можно замедлить потери тепла в окружающую среду при трансформации высококачественной энергии в низкокачественную, т. е. сберегать ее эксергию. Например, плохо изолированный дом в холодное время теряет тепло с такой же скоростью, с какой оно производится. Напротив, герметичное здание может удерживать тепло от нескольких часов до трех-четырех суток. Снижение температуры - эксергоразрушительный процесс, а рециркуляция теплоты - эксергосберегающий.

В некоторых административных зданиях тепло, излучаемое светильниками, компьютерами и другими приборами, аккумулируют и направляют на отопление при холодной погоде или на охлаждение воздуха при жаркой погоде. Тепловые выбросы промышленных предприятий и станций можно использовать для обогрева зданий, теплиц, прудов. Подсчитано, что если при эксплуатации всех паровых котлов в США станет использоваться выбрасываемое тепло, то будет получено столько же электроэнергии, сколько могли бы произвести от 30 до 200 электростанций (в зависимости от технологии), работающих на ядерном топливе или на угле. Это значительно снизило бы стоимость электроэнергии.

Основой для энергооборота в будущем должны быть экономия энергии, эффективное ее использование и разработка эксергосберегающих технологий.

Глобальный круговорот веществ

Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический).

Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды.

В основе большого геологического круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты.

Около 30% падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре.

Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят перераспределение и очистка планетарного запаса воды.

В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды больше - примерно 3,8 геограмма в год (1 геограмм равен 10²⁰ г, или 10¹⁴ т), чем возвращается с осадками - около 3,4 геограмма в год. На суше, наоборот, осадков выпадает больше - примерно 1,0 геограмм, а суммарно испаряется около 0,6 геограмма ежегодно. Поэтому значительная часть осадков, используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, производящими пищу для человека, состоит из воды, испаряющейся из моря. Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан. По существующим оценкам, в пресных водоемах содержится 0,25 геограмма воды, а годовой сток составляет 0,2 геограмма. Часть пресной воды, возвращающейся в виде осадков, замерзает в ледниках. Таким образом, время оборота пресных вод составляет примерно один год. Разность между количеством осадков, выпадающих на сушу за год (1,0 геограмм), и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8 геограмма, которые испаряются и поступают в подпочвенные водоносные горизонты. Поверхностный сток частично пополняет резервуары грунтовых вод и сам пополняется от них (рис. 4.1).

Р ис. 4.1 Круговорот воды в биосфере: годовой объем испарения и осадков указан в геограммах

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавился процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью организмов, - транспирация. Соотношение количества воды, выделившейся в результате транспирации и испарения, меняется в зависимости от местных условий. В тропическом влажном лесу количество воды, испаряемой растениями, более чем в два раза превышает испарение с той же площади растениями саванны, расположенной на той же широте и высоте. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживая влагу в почвах и препятствуя их иссушению и эрозии.

Общие запасы воды на Земле оцениваются приблизительно в 1386 млн км³. Соленая вода составляет около 97,5% от объема водной массы, на мировой океан приходится 96,5%. Объем пресных вод, по разным оценкам, составляет 35-37 млн км³, или 2,5-2,7% от общих запасов воды на Земле. Большая часть пресных вод (68-70 %) сосредоточена в ледниках и снежном покрове.

Энергетика гидрологического цикла представлена в виде двух энергетических путей. Движение вверх (испарение) осуществляется за счет солнечной энергии, часть которой вода поглощает. При выпадении осадков она отдает энергию озерам, рекам, заболоченным землям, другим экосистемам и непосредственно человеку, например на ГЭС (рис. 4.2).

Около трети поступающей солнечной энергии затрачивается на движение воды. Это еще один пример «безвозмездной услуги», которую оказывает людям Солнце.

Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т. п. сток воды в океан увеличивается и пополнение фонда грунтовых вод сокращается.

Р ис. 4.2. Энергетика гидрологического цикла (по Ю. Одуму, 1986)

Во многих сухих областях резервуары подземных вод выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. В засушливых районах США (западная часть Оклахомы, Техас, Канзас), например, подземные горизонты наполнены водой, накопившейся в более влажные геологические периоды, и теперь количество ее не увеличивается. Вода здесь - невозобновляемый ресурс, подобно нефти, и основные ее источники будут исчерпаны через 30-40 лет.

Рост объема поверхностного стока, в свою очередь, увеличивает риск наводнений и усиливает эрозию почв.

В России для водоснабжения и орошения земель разведано 3367 месторождений подземных вод, эксплуатационные запасы которых составляют 28,5 км³/год. Степень освоения этих запасов на 1996 г. составляет в РФ не более 33%, а в эксплуатации находится около 1600 месторождений. Но в результате интенсивного водозабора в эксплуатируемых скважинах в уровенной поверхности подземных вод сформировались депрессивные воронки площадью 50000 км², а снижение уровня в центре воронки – 80-130 м (Москва, Брянск, Санкт-Петербург, Курск).

Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В 1927 г. советский ученый В. Р. Вильямс писал: «Из большого, абиотического, круговорота веществ на земном шаре вырывается ряд элементов, которые, постоянно увлекаемые в новый, малый, по сравнению с большим, биологический круговорот, надолго, если не навсегда, вырываются из большого круговорота и вращаются непрерывно расширяющейся спиралью в одном направлении в малом, биологическом, круговороте».

В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей.

В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества, как уже упоминалось, затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму.

Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют общий глобальный круговорот, перераспределяющий энергию Солнца.

Иными словами, все химические элементы участвуют и в большом, и в малом круговороте веществ, перемещаясь из неживой среды в живые организмы и обратно, образуя биогеохимические циклы.

Биогеохимические циклы - это более или менее замкнутые пути движения химических элементов в живых организмах («био»), в твердых породах, воздухе и воде («гео»). В круговороте элементов различают две части: резервный фонд - большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный фонд - меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Резервный фонд называют «недоступным», а обменный - «доступным» (рис. 4.3).

Р ис. 4.3. Биогеохимические циклы на фоне упрощенной схемы потока энергии: П_в, П_ч, П_вт - валовая, чистая и вторичная продукция,  - энергия;  - вещества

Из более чем ста химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 являются биогенными, т. е. необходимы организмам. Некоторые из них (углерод, водород, кислород, азот, фосфор) нужны организмам в больших количествах - макроэлементы, другие - в малых или даже ничтожных - микроэлементы.

Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круговорота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов. Рассмотрим некоторые из них.