Поток энергии в экосистеме
Напомним, что экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно энергией, веществом и информацией друг с другом и с окружающей средой. Рассмотрим процесс обмена энергией.
Энергию определяют как способность производить работу.
Все живые системы являются открытыми для обмена энергией. В окружающей их среде есть огромное количество даровой энергии Солнца, а в составе самой живой системы есть компоненты, обладающие механизмами, позволяющими эту энергию улавливать (извлекать), концентрировать, а затем снова рассеивать в окружающую среду. Как рассмотрено выше, рассеивание энергии, то есть увеличение энтропии, - это процесс, характерный для любой системы, как неживой, так и живой, а самостоятельное улавливание и концентрирование энергии - это способность только живой системы. При этом происходит извлечение порядка, организации из окружающей среды, то есть выработка отрицательной энергии - негоэнтропии. Такой процесс образования порядка в системе из хаоса окружающей среды называется самоорганизацией. Он ведет к уменьшению энтропии живой системы, противодействует ее уравновешиванию с окружающей средой, то есть росту энтропии, что для живой системы при достижении максимальной энтропии - равновесия с окружающей средой - означает смерть.
Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии; во-вторых, способности за счет устройства составляющих ее компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.
Даровая энергия окружающей среды - это энергия Солнца.
Доходящая до Земли энергия Солнца распределяется следующим образом: 33 % ее отражается облаками и пылью атмосферы (это так называемое альбедо или коэффициент отражения Земли ); 67 % поглощается атмосферой, поверхностью Земли и океаном. Из этого количества поглощенной энергии лишь около одного процента расходуется на фотосинтез, а вся остальная энергия, нагрев атмосферу, сушу и океан, переизлучается в космическое пространство в форме невидимого теплового (инфра-красного) излучения. Этого одного процента энергии достаточно для обеспечения ей всего живого вещества планеты и поддержания им состояния с низкой энтропией. Как распределяется эта энергия между компонентами биотической структуры?
Улавливают энергию Солнца и превращают ее в потенциальную энергию органического вещества растения - продуценты. Весь остальной живой мир получает необходимую для жизнедеятельности энергию, в основном поедая их.
Животное употребило в пищу растение или консумента более низкого порядка. Содержащееся в пище органическое вещество расщепляется в присутствии кислорода с выделением энергии. Этот процесс, обратный фотосинтезу, называется дыханием:
Он имеет место в каждой клетке живого организма, поэтому его еще называют клеточным дыханием.
Около 90 % выделившейся энергии расходуется организмом в основном на дыхание, совершение работы и поддержание жизнедеятельности, то есть на обеспечение всех необходимых ему функций, после чего она в виде выделяемого организмом тепла рассеивается в окружающую среду и по сути дела безвозвратно теряется для всей живой системы. И только около 10 % энергии идет на построение тела, рост и размножение организма. Именно эти 10 % энергии и доступны следующему трофическому уровню.
Таким образом, с каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня снижается. Процентное содержание энергии высокого качества, переходящего с одного трофического уровня колеблется от 2 до 30 % в зависимости от вовлекаемых типов живых организмов и от экосистемы, в которой происходит трансформация энергии. В дикой природе с учетом затрат энергии на собственные нужды результирующий поток энергии, переходящий на следующий трофический уровень, составляет в среднем 10 % энергии, полученным предыдущем уровнем (правило 10% Линдемана). В результате на верхние трофические уровни приходятся сотые, а то и тысячные доли процента от энергии зеленых растений. Пропорционально снижается и биомасса хищников по сравнению с биомассой продуцентов.
В процессе жизнедеятельности создается и расходуется органическое вещество, т.е. соответствующая экосистема обладает определенной продуктивностью биомассы. Биомассу измеряют в единицах массы или выражают количеством энергии, заключенной в тканях.
Продуктивность – это скорость производства биомассы в единицу времени, которую нельзя взвесить, а можно только рассчитать в единицах энергии или накопления органических веществ. Продуктивность экосистемы говорит о ее “богатстве”.
Различают продуктивность текущую и общую. Например, в некоторых условиях 1 га соснового леса способен за период своего существования и роста образовать 200 м3 древесной массы – это его общая продуктивность. Однако за один год этот лес создает всего лишь около 2 м3 древесины, что является текущей продуктивностью или годовым приростом.
В природе растения усваивают всего 1-2 % солнечной энергии, достигшей поверхности Земли (в лабораторных условиях эта величина может достигать 30-34 %).
Эффективность усвоения пищи у растительноядных животных (фитофагов) зависит от ее питательных свойств и может колебаться от 10 % (при поедании древесины) до 80 % (при поедании семян). Эффективность усвоения пищи у хищников (зоофагов) составляет 60-90 % от ее поглощенного количества. Растения 30-85 % усвоенной энергии расходуют на создание биомассы, остальная часть тратится на дыхание.
У наземных теплокровных животных эффективность производства биомассы низкая: у птиц и крупных млекопитающих менее 1 %, у мелких млекопитающих до 6 %. Менее подвижные хладнокровные животные, особенно водные, могут тратить до 75 % ассимилированной энергии на рост и размножение, что приближается к максимальной биологической эффективности роста биомассы.
Трофическая структура экосистем сложилась на очень ранних стадиях существования жизни на Земле. На всех этапах биологических эпох существовали травоядные и хищники, крупные и мелкие формы. Все они были представлены в определенных соотношениях друг к другу. Ныне наблюдается то же равновесие, и это не может быть случайным.
Первичная продуктивность экосистемы определяется как скорость, с которой энергия Солнца усваивается организмами – продуцентами в ходе фотосинтеза или химсинтеза. Эта энергия материализуется в виде органических веществ тканей продуцентов.
Принято выделять:
-валовая первичная продуктивность – общая скорость накопления органических веществ продуцентами, включая те, что были израсходованы на дыхание и секреторные функции. Растения на процессы жизнедеятельности тратят примерно 20% производимой химической энергии;
-чистая первичная продуктивность – скорость накопления орг. веществ за вычетом тех, что были израсходованы при дыхании и секреции за изучаемый период. Эта энергия может быть использована организмами следующих трофических уровней;
-вторичная продуктивность – скорость накопления энергии консументами.
Ежегодно на суше растения образуют в пересчете на сухое вещество 1.7 1011 т биомассы, эквивалентной 3.2 1018 кДж энергии – такова чистая первичная продуктивность.
Чистая первичная продуктивность является главным источником питания для животных. Экосистемами с наибольшим значением чистой первичной продуктивности являются эстуарии, болота и влажные тропические леса; с наименьшим – тундра, открытый океан и пустыни. Если сделать вывод, что нужно вырубить тропические леса и выращивать на их месте урожаи, то он является ошибочным. В тропических лесах большинство питательных веществ накапливается не в почве, а в древесине, листьях и другой растительной массе. Если деревья вырубить, то высаженные на их месте сельскохозяйственные культуры и частые дожди быстро истощат незначительные запасы питательных веществ в оголенной почве. Поэтому без внесения большого количества дорогостоящих удобрений продовольственные культуры можно выращивать лишь в течение непродолжительного времени.