Глава 3. Энергия в экосистемах

ванной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Q_солн=q_расс+q_конц

Лучистая 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_coлн) Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис. 3.1).

То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйствен­ных экосистемах. На рис. 3.2 показаны потоки энергии, обеспе­чивающие работу фермы. Схема представляет четыре потока энергии, поступающие от солнца Q_согн, с дождем q_д, питательными веществами q_пвi, 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_n и рас-

Глава 3. Энергия в экосистемах

сеянную тепловую энергию q_т.

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 энергиюq_т:

q_п < Q_cолн + q_д + q_п.в + q_ч

Рис. 3.2. Потоки энергии, обеспечивающие работу срермы (по Г. Одуму и Е. Одуму, 1978)

Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным све­томи экологическими 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

90

91

Глава 3. Энергия в экосистемах Глава 3. Энергия в экосистемах

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 только5 % 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. ел-внутрь, trope- превращение). А

тенденцию потенциальной энергии 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. 3.3).

Рис. 3.3. 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».

92

93