Экологическая система.

Экосистема — это безразмерная категория, которая включает различные комплексы биогеоценозов. Самая крупная известная нам экосистема — это биосфера — пространство, где существует биологическая жизнь на планете Земля.

Экосистема - это надорганизменная система, в которой биотический компонент представлен биоценозом, а абиотический - биотопом.

Следовательно, предметом экологии являются системы надорганизменного уровня- популяционные, экологические (экосфера) и бисферные.

«Простейшая формула экосистемы» выглядит следующим образом:

ЭКОСИСТЕМА	=	СООБЩЕСТВО		БИОТОП
(БИОГЕОЦЕНОЗ)		(БИОЦЕНОЗ)		(МЕСТООБИТАНИЕ)

Рассмотрим примеры экосистем (биогеоценозов) различной размерной категории, начиная с самых мелких.

Микроэкосистемы: большой валун в степи, поваленное дерево в лесу, выход не скольких родников, болотная кочка, заводь или каменистый перекат в горном ручье или речке и т.д.

Небольшие экосистемы: овраг в степи, небольшая роща, небольшое озеро или пруд, северный или южный склоны отдельной горы.

Большие экосистемы: массив леса, горное ущелье, большое озеро, дельты крупных рек.

БИОМЫ — широко распространенный термин для обозначения крупных региональных или субконтинентальных экосистем: биомы лиственных лесов или степей биомы тундры или тайги.

Глобальная экосистема одна — это биосфера самая крупная и наиболее близкая к идеалу в смысле саморегуляции, самообеспечения п устойчивости экологическая система. Под устойчивым равновесием в экологии следует понимать способность системы возвращаться в исходное состояние после ее отклонения под влиянием внешних факторов. Биосфера - идеальна: не смотря на мощный антропогенный стресс и многочисленные локальные и региональные нарушения. Ее уникальное свойство — это подержание и воспроизводство биологической жизни на Земле.

Лекция 4 Энергия в экосистемах.

Законы преобразования энергии. Энергия (гр. деятельность) - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами.

Энергия – одно из основных свойств материи – способность производить работу. Законы превращения энергии проявляются во 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.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Для управления энергетическими процессами прежде всего необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем.

Состояние экономики определяется соотношением между энергией, которую человек эффективно использует на данной территории, и количеством энергии, импортируемой извне. Если эксплуатация источников энергии происходит с той же интенсивностью, с какой обнаруживают новые источники, то формируется благополучное общество. Если энергетические траты превышают имеющиеся ресурсы, то это приводит к их истощению и кризису в экономике. Проекты, связанные с изменением окружающей среды, также необходимо оценивать с позиций энергоэффективности. Например, не всякая переработка отходов нужна, поскольку некоторое количество отбросов является энергетическими ресурсами биосферы. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни наиболее соответствует природным возможностям. Будущее человечества зависит от объединения энергетики, 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 перевести природные ценности в разряд экономических а экономические оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов управления основанного на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив природные системы, можно познать многие законы, справедливые для антропогенных экосистем. Несмотря на огромное разнообразие природных систем, 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, находится в соответствии с двумя законами термодинамики. Солнечная энергия Q_сол ,получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной (отраженной и тепловой)q_расс и концентрированной (фотосинтезируемого вещества)q_конц формами энергии: Q_сол = q_расс + q_конц .

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии. Он гласит: Энергия не создается и не исчезает. Для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Экология изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света. Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_сол). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему и биосферу.

Второй закон термодинамики гласит: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). Этот закон называют законом энтропии. Теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает). В природе масса примеров однонаправленных процессов. Например, газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются, кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска. Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия (от греч. внутрь и превращение). Т.е. энтропия является мерой беспорядка, мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (ΔS) равно нулю при обратимых процессах или больше нуля - при необратимых процессах. Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности). Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Второй закон термодинамики можно сформулировать также следующим образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100%. Существует еще одна формулировка закона: любой вид энергии в конечном счете переходит форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Отношения между растениями - продуцентами и животными - консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами. Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую - в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.

Согласно первому закону термодинамики энергия, поступающая в систему из четырех источников: от солнца, от дождя, в виде питательных веществ почвы и человека, машин, топлива. Она преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания и рассеянную тепловую энергию. Энергия, участвующая в процессе производства продуктов питания, превращается в основном в рассеянную тепловую. Лишь небольшая часть ее сохраняется в продуктах. Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах, меньше общего количества поступившей энергии. Рассеиваемая теплота - это энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла, для всех энергетических процессов, в том числе и технологических, характерен переход от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»). Эту тенденцию потенциальной энергии к деградации выражают термином возрастания энтропии (ΔS). Одновременно энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок. Структуры, наделенные порядком, обладают низкой энтропией. Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют и живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться, а неживые системы приходится восстанавливать, используя внешнюю энергию, превращая ее в формы, практически недоступные для использования.

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

Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более концентрирован энергетический поток, тем выше его качество — способность превращаться в другую форму энергии (или соотношение части энергии, способной сконцентрироваться и рассеиваемой части энергии). В пищевой цепи и цепи получения электроэнергии (рис. 6.9), включающей этап фоссилизации количество энергии всегда уменьшается, а ее качество увеличивается. Фоссилизация (от лат. ископаемый) — процесс превращения останков вымерших животных и растений в окаменелости путем замещения органических веществ минеральными.

Важнейшая особенность живых организмов, экосистем и биосферных в целом — это способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается пре вращениями энергии без ее возникновения или исчезновения. Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений.

Экология изучает способы превращения энергии внутри экосистем. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции. Энергия этих реакций переходит в энергию света, т. е. энергию квантов излучения, испускаемого Солнцем.

Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные нужды, кроме собственных, не более 1% от ее общей первичной продукции. Как только человечество на грани ХIХ и ХХ вв. стало использовать большее количество так, вероятно, с величины 0,5% от общей энергетики биосферы прекратилось действие компенсационного механизма на основе принципа Ле Шателье—Брауна: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации СО₂ в атмосфере.

Признан ориентировочный порог потребления 5—10% от суммы веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям в природных системах . Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило 1%) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода си темы из стационарного состояния, а на уровне 10% — порог саморазрушения системы. Особое значение имеет момент выхода из стационарного состояния . Для глобальной энергетической системы (биосферы) этот процесс, по мнению Н. Ф. Реймерса, начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2% от величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье –Брауна. Происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.

Некоторые ученые считают, что преобразования энергии в живой материи не могут в полной мере быть описаны теорией классической термодинамики. Так, 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 первой теорией дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму закону термодинамики запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан, а энтропия будет расти. Рост внутренней неупорядоченности будет приводить к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, т. е. к их разрушению.

В соответствии со второй теорией эволюции биосферы направление развития разнообразных форм жизни имеет противоположную тенденцию - от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры в противоречии с утверждением второго закона термодинамики. Упорядоченность природной экосистемы, т. е. структура ее биомассы поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из него неупорядоченность.

Экосистемы 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 законом термодинамики.

Способность живых организмов снижать неупорядоченность внутри себя иногда интерпретируют как способность накапливать отрицательную энтропию. Сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. Наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии, т.е. процессов накопления и концентрации солнечной энергии описывается законами энергетики и экономическими явлениями. Играет роль понятие человеческого труда, приводящего к аккумуляции полезной энергии, которая в свою очередь приводит к расширению запасов продуктов питания, повышает количество концентрированной солнечной энергии с помощью технических средств. Специфические уникальные функции преобразования рассеянной солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Анализ термодинамических функций хлорофиллового аппарата растений показывают, что они обладают антиэнтропийными свойствами. 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.

Процессы биогенеза и техногенеза 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» (А. Е. Ферсман, 1937).

Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные упорядоченные структуры может встречаться в системах, далеких от равновесных но обладающих хорошо развитыми «диссипативным структурами», откачивающими неупорядоченность. Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре выше абсолютного нуля, когда существует хаотическое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по «откачиванию неупорядоченности». Дыхание упорядоченной биомассы можно рассматривать как «диссипативную структуру» экосистемы. В экосистеме отношение 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 без притока энергии резко увеличивается биомасса (Б), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для полдержания упорядоченности системы (Д). Тогда она постепенно разрушается и в конце концов погибает. Эффективное использование энергии обеспечивает выживание систем в соперничестве с другими системами. Для оптимизации использования энергии природная система создает хранилища концентрированной потенциальной энергии, часть которой тратит на получение новой и поддержание порядка: обеспечивает круговорот веществ, обмен с другими системами, создает механизмы устойчивости и др.

Живая материя отличается от неживой способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, преобразовывать и концентрировать ее, чтобы противостоять росту энтропии. Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулированной живыми организмами энергии.

Формы и качество энергии. Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, химическая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др. Формы энергии различны по способности производить полезную работу. «Не все калории (или другие единицы количества) одинаковы, т. е. одинаковые количества разных форм энергии могут сильно различаться по своему рабочему потенциалу» (Ю. Одум, 1986). Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии. Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т. е. ее эксергию.

Эксергия -это максимальная робота, которую совершает термодинамическая система при переходе и данного состояния е состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю энергии, участвующей в каком-то процессе, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура - это мера концентрации теплоты.

Если количество энергии Q имеет высокую температуру Т_в, а температура окружающей среды Т_о, меньше Т_в, то система совершает работу – Q/[(Т_в – Т_о)/Т_в].

Если то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_н <Т_в, то при условии Т_н > Т_о; система выполнит работу Q/[(Т_н – Т_о)/Т_н].

Очевидно, что работа, выполненная концентрированной высокотемпературной тепловой энергией, больше работы, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии. 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 Q до 1) или процентах. 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, то величина (Т- Т_о)/Т будет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100 %).

Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством, для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества. Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в биосфере, образует порядок и повышает эксергию некоторой части энергии.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы энергии. Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений всегда сопровождается уменьшением количества и повышением качества энергии, аккумулированной на каждом этапе.

Сказанное иллюстрируется следующим образом,

Солнце à	Растения à	Растительноядные животные à	Хищники
Повышение качества энергии
Понижение количества энергии

Однако, такое видоизменение энергии условно. Многие исследователи пытались произвести расчеты количества энергии, аккумулированной на каждом трофическом уровне, в реальных экологических системах. Оказалось, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии увеличивается на 1-2 порядка. Отсюда следует, что качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца.

ПРИМЕР. В табл. 3.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива.

Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнечный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз.

Использование энергии в биосфере определяется количественным распределением и ее качеством. Солнечный свет падает на планету с энергией 2 кал_*см²_*мин^-1 (солнечная постоянная), но, проходя через атмосферу, он ослабляется и даже в ясный летний день до поверхности Земли доходит не более 67 %, которая в биосфере распределяется следующим образом: 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 (СН₂О) - строительные блоки органических веществ, обладающие высокой эксергией, а экспортируемая в космическое пространство рассеянная энергия снижает свою эксергию. Под воздействием температуры, давления и др.факторов в течение тысяч и миллионов лет органические вещества превращались в торф, угол, нефть, т. е. энергия накапливалась в виде ископаемого топлива. В ХХ веке эти запасы интенсивно эксплуатировались для обеспечения жизни искусственных систем. В поисках новых ресурсов топлива человечеству приходится осваивать месторождения, добыча ресурсов на которых становится все более дорогостоящей. Огромная работа, выполняемая биосферой (сохранение и развитие жизни, накопление горючих ископаемых и пр.) за счет небольшого количества (0,8 %) сконцентрированной растениями солнечной энергии, объясняется высокой эксергией аккумулированной части энергии.

Пока не разработаны технологии концентрации энергии возможно использовать низкокачественную энергию для «низкокачественных работ»; например солнечную энергию для отопления зданий. При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом – использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе.

Энергетические процессы рассматривают обычно как чисто физические, не предполагая, 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.