Поток энергии

Трофическая цепь. Правило десяти процентов.

Фотосинтез. Хемосинтез.

Энергия Солнца. Концентрирование энергии и диссипация.

Законы термодинамики. Энтропия. Неравновесность живых систем.

Энергия в экосистемах. Характеристика экосистемы как сложной открытой системы.

Роль вещества. Круговорот элементов. Закон сохранения вещества. Большой и малый круг. Биогеохимический цикл. Круговорот воды. Биогенные элементы. Углерод. Кислород. Азот. Фосфор. Сера.

Трофическая структура экосистем. Экологическая пирамида. Пирамида чисел, биомасс, энергий.

Продуктивность экосистем. Первичная и вторичная продуктивность.

Поток энергии.

Трофическая цепь. Правило десяти процентов.

Фотосинтез. Хемосинтез.

Энергия Солнца. Концентрирование энергии и диссипация.

Законы термодинамики. Энтропия. Неравновесность живых систем.

Энергия в экосистемах. Характеристика экосистемы как сложной открытой системы.

Тема 4. Функционирование экосистем

Вся жизнь на Земле существует в основном за счёт 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 передаётся всем организмам.

Фотосинтез

В основе процесса фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные реакции.

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ↑

Один из результатов процесса фотосинтеза – образование первичного органического соединения C₆H₁₂O₆ (альдегид – глюкоза, кетон – фруктоза).

Энергия передаётся от организма к организму, создающих пищевую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.

Рис. Распределение солнечной энергии в экосистеме

На рис. показано, как поступающая на поверхность планеты солнечная энергия расходуется в экосистеме. Количество этой энергии очень велико и составляет примерно 55 ккал на 1 см² в год. Однако растения фиксируют не более 1 – 2 % солнечной энергии (а в пустынях и в океане – сотые доли процента), остальное затрачивается на нагревание атмосферы, суши и испарение. Из накопленной растениями солнечной энергии сравнительно немного – не более 7 – 10 % - достаётся растительноядным животным, питающимся живыми растениями. Большую её часть используют симбиотрофы (бактерии и грибы), которые получают питание из корней растений, выделяющих в почву углеводы (или живут непосредственно в корне), и детритофаги и редуценты, питающиеся отмершими растениями.

Для понимания процессов превращения энергии в экосистеме полезны законы термодинамики, которые сформулированы физиками.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому энергия в экосистеме не может появиться сама собой, а поступает в неё извне – от Солнца или в результате химических реакций неорганических веществ. В гетеротрофные антропогенные экосистемы энергия поступает от специальных энергетических устройств, на которых получается электрическая энергия или готовится к использованию энергия углеродистых энергоносителей.

Второй закон термодинамики – это закон снижения качества энергии. Он объясняет то, как энергия переходит из одной формы в другую. При любом превращении энергии некоторое её количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию. В соответствии с этим законом растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии, остальная рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание среды экосистемы. Лишь небольшая часть поглощённой растением солнечной энергии расходуется на продукционный процесс. Рассеивание энергии продолжается при дыхании и её передаче гетеротрофным организмам. При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов и симбиотрофов), третий (хищников первого порядка) и т.д. значительное её количество также рассеивается и снижает своё качество. Именно поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7 – 10 %. После смерти организмы, в теле которых фиксирована энергия, будут разрушены редуцентами и энергия полностью рассеется.

В антропогенных экосистемах – сельскохозяйственных, городских, промышленных – человек стремится уменьшить бесполезное рассеивание дорогостоящей энергии.

В результате действия законов термодинамики экосистема и входящие в её состав организмы существуют до тех пор, пока поступает энергия извне. Её нельзя использовать многократно, так как при каждом переходе энергии неизбежно происходит её рассеивание, пока вся энергия не рассеется в среде экосистемы в самой некачественной форме – тепловой.

Дата добавления: 2014-01-04