Энергия в экосистемах

Из курса физики известно, что энергия – это способность производить работу. Свойства энергии описываются первым и вторым законами термодинамики.

Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит: энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии, гласит: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). Следовательно, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100 %.

Энтропия – мера количества энергии, которая становиться недоступной для использования. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеиванием используемой энергии. Экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.

Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии. Свет – единственный на Земле пищевой ресурс, энергия которого, в соединении с углекислым газом и водой, рождает процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие растения создают органическое вещество, которым питаются травоядные животные, ими питаются плотоядные и т.д., в конечном итоге растения кормят весь остальной живой мир, т.е. солнечная энергия через растения как бы передается всем организмам создавая, таким образом, трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (созидателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так 4 – 6 раз с одного трофического уровня на другой.

Трофическая цепь – отношения между организмами в процессе переноса энергии от источника через ряд организмов на более высокие трофические уровни.

Пища, поглощаемая консументом, усваивается не полностью от 10 до 20 %. Энергетические затраты связаны прежде всего с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, оцениваемой общим количеством двуокиси углерода, выделенного организмом. Значительно меньшая часть идет на образование тканей и некоторого запаса питательных веществ, т.е. на рост. Остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. Кроме того, значительная часть энергии расходуется в виде тепла при химических реакциях в организме и, особенно при мышечной работе. В конечном итоге вся энергия, использована на метаболизм, превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде.

Во время кругооборота происходят характерные изменения энергии в процессе перехода от одного трофического уровня к другому. В трофический кругооборот экосистемы в среднем вовлекается около 1 % солнечной энергии, на каждый более высокий трофический уровень переходит около 10 % энергии. Растения используют до 1 % солнечной энергии, травоядные животные потребляют около 10 % энергии, аккумулированной растениями, хищники – до 10 % энергии, накопленной травоядными животными, т. е. только 0,01 % солнечной энергии, которая попадает на Землю.

Таким образом, большая часть энергии при переходе с одного трофического уровня на другой, более высокий, теряется. Приблизительно потери составляют около 90 %. На каждый следующий уровень передается не более 10 % от энергии предыдущего уровня. Конечный итог – рассеяние и потеря энергии, которая, чтобы существовала жизнь, должна возобновляться.

В процессе переноса энергии часть веществ, которые добавляются извне, могут концентрироваться в трофических цепях и накапливаться в них. Это явление называется биологическим накоплением. Наиболее наглядно оно проявляется на примере концентрирования пестицидов и радионуклидов в трофических цепях.