Энергия в экосистемах

Сущность жизни состоит в самовоспроизведении и синтезе сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти процессы, не было бы ни жизни, ни экологических систем. Важнейшую роль в функционировании экосистем играет солнечная энергия. Солнечное излучение распространяется в космическом пространстве. Какая-то часть этого излучения попадает на Землю, проходит через атмосферу и попадает на леса, луга, океаны, пустыни, теплицы, ледники и на многие сотни других экологических систем, входящих в состав биосферы. Солнечный свет поглощается предметом, который при этом нагревается, световая энергия превращается в другую форму энергии — тепловую (энергию колебательных и поступательных движений молекул). Пища, созданная в результате фотосинтетической активности зеленых растений, содержит потенциальную энергию, которая при потреблении организмами превращается в другие формы. Количество энергии в какой-либо форме всегда пропорционально количеству энергии, в которую она переходит; поэтому, зная одно, можно рассчитать другое.

На верхнюю границу биосферы из космоса падает солнечный свет с энергией 2 кал на 1 см² в 1 мин. Проходя через атмосферу, он ослабляется, и в ясный летний полдень до поверхности Земли может дойти не более 67% его энергии - 1, 34 кал/см² в 1 мин. Облачный покров, вода и растительность, ослабляют солнечный свет еще сильнее, в нем значительно изменяется распределение энергии по разным участкам спектра. Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день обычно варьирует от 100 до 800 кал/см², составляя 300 - 400 кал/см². Эти данные относятся к умеренной зоне.

Энергию определяют как способность производить работу[126]. Важнейшая энергетическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией[127]. Система обладает низкой энтропией, если в ней происходит непрерывное рассеяние легко используемой энергии (например, света или пищи) и превращение ее в энергию, используемую с трудом (например, тепловую).

Как следует из второго закона термодинамики, любой вид энергии, в конечном счете, превращается в тепло — форму энергии, наименее пригодную для превращения в работу и наиболее легко рассеивающуюся. Предоставленная самой себе, энергия при любых превращениях стремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, которые, следовательно, имеют одинаковую температуру. Эта тенденция ведет к «старению» Солнечной системы. Сейчас Земля далека от состояния энергетического равновесия; она имеет большой запас потенциальной энергии, и температура разных областей Земли различна. Эти различия поддерживаются постоянным притоком лучистой энергии Солнца. Все естественные явления, на Земле связанны с непрерывными превращениями энергии и представляют собой части общего процесса, ведущего к устойчивому энергетическому равновесию.

Небольшая часть световой энергии, поглощенной зелеными растениями, превращается в потенциальную энергию пищи, большая же ее часть превращается в тепло, покидающее и экосистему, и биосферу. Весь живой мир получает необходимую потенциальную химическую энергию из органических веществ, созданных фотосинтезирующими растениями или хемо-синтезирующими микроорганизмами. Например, животные поглощают химическую потенциальную энергию пищи и большую ее часть превращают в тепло, а меньшую вновь переводят в химическую потенциальную энергию заново синтезируемой протоплазмы. На каждом этапе передачи энергии от одного организма к другому значительная часть ее рассеивается, превращаясь в тепло.

Второй закон термодинамики, трактующий о рассеянии энергии, связан с принципом стабильности. Согласно этой концепции, любая естественная замкнутая система с проходящим через нее потоком энергии, развивается в сторону устойчивого состояния, и в ней вырабатываются саморегулирующие механизмы. В случае кратковременного воздействия на систему извне эти механизмы обеспечивают возврат к стабильному состоянию. Когда устойчивое состояние достигнуто, перенос энергии обычно идет в одном направлении и с постоянной скоростью, что соответствует принципу стабильности. Любое вмешательство в жизнь экосистемы приводит к изменению идущего через нее энергетического потока и установлению нового энергетического равновесия.

Важнейшей характеристикой экосистем с точки зрения получения и преобразования ими энергии является чистая продуктивность. Чистая продуктивность экосистемы – это скорость накопления органического вещества. Продуктивность естественных экосистем варьирует в широких пределах, поскольку зависит от климатических зон, времени года, вида и состава экосистемы. Продуктивность искусственных экосистем в высокой степени зависит от дополнительных вложений энергии человеком. Важно понимать, что генетическая селекция сама по себе не приводит к увеличению чистой продуктивности искусственной экосистемы. Увеличение продуктивности возможно только при дополнительных вложениях энергии, затрачиваемой на обработку земли, борьбу с сорняками и вредными насекомыми, осушение и полив, поставку минеральных и органических удобрений. Поскольку энергия, расходуемая человеком в процессе создания искусственных экосистем невосполнима, то успехи человека в достижении высокой чистой продуктивности экосистем оборачиваются значительными энергетическими потерями.