Основные энергетические типы экосистем их отличительные способности

В экосистемах перенос  энергии пищи от ее источника –  растений через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называется пищевой цепью. При каждом очередном переносе большая  часть (80–90 %) потенциальной энергии  теряется, переходя в тепло.

Это ограничивает возможное  число звеньев цепи до четырех-пяти. Зеленые растения занимают первый трофический  уровень, травоядные – второй, хищники  – третий и т. д. Переход к каждому  следующему звену уменьшает доступную  энергию примерно в 10 раз. Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительное содержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можно прокормить.

Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую  структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие  уровни образуют ее этажи и вершину, может быть трех основных типов: «1) пирамида чисел, отражающая численность  отдельных организмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой  вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества; 3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) „продуктивность“ на последовательных трофических уровнях» . Энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.

Важнейшей характеристикой  экосистемы является ее продуктивность, под которой понимается как рост организмов, так и создание органического  вещества. Поглощается лишь около  половины всей лучистой энергии (в основном в видимой части спектра), и  самое большое около 5 % ее в самых благоприятных условиях превращается в продукт фотосинтеза. Значительная часть (не менее 20 %, а обычно около 50 %) этой потенциальной пищи (чистой продукции) человека и животных расходуется на дыхание растений. Содержание хлорофилла на 1 м2в разных сообществах примерно одинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределено более равномерно, чем в отдельных растениях или их частях.

Соотношение между  зелеными и желтыми пигментами можно  использовать как показатель отношения  гетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при усилении дыхания сообщества увеличивается содержание желтых пигментов.

Среди произведенной  в процессе фотосинтеза продукции  выделяют первичную продуктивность, которая определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается  организмами-продуцентами, главным  образом зелеными растениями. Ее разделяют  на валовую первичную продукцию, включая ту органику, которая была израсходована на дыхание, и чистую первичную продукцию – за вычетом  использованной при дыхании растений. Чистая продуктивность сообщества –  скорость накопления органического  вещества, не потребленного гетеротрофами. Наконец, скорость накопления энергии  на уровне консументов называют вторичной продуктивностью. В соответствии со вторым началом поток энергии с каждой ступенью уменьшается, так как при превращениях одной формы энергии в другую часть энергии теряется в виде тепла. «В более плодородных прибрежных водах первичная продукция приурочена к верхнему слою воды толщиной около 30 м, а в более чистых, но бедных водах открытого моря зона первичной продукции может простираться вниз на 100 м и ниже. Вот почему прибрежные воды кажутся темно-зелеными, а океанские – синими» .

Часть энергии, идущая на дыхание, т. е. на поддержание структуры, велика в популяциях крупных организмов и в зрелых сообществах. Эффективность  природных систем много ниже КПД  электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт», что не учитывается  при расчете КПД двигателей. Любое  повышение эффективности биологических  систем оборачивается увеличением  затрат на их поддержание. Экологическая  система – это машина, из которой  нельзя «выжать» больше, чем она  способна дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста  эффективности сводится на нет ростом расходов и риском разрушения системы.

Человек не должен стремиться получать более одной трети валовой (или половины чистой) продукции, если он не готов поставлять энергию для  замены тех «механизмов самообслуживания», которые развились в природе, чтобы обеспечить долговременное поддержание  первичной продукции в биосфере. Прямое удаление человеком или домашними  животными более 30–50 % годового прироста растительности может уменьшить  способность экосистемы сопротивляться стрессу.

Один из пределов биосферы – валовая продукция  фотосинтеза, и под него человеку придется подгонять свои нужды, пока не удастся доказать, что усвоение энергии путем фотосинтеза можно  сильно повысить, не подвергая при  этом опасности нарушить равновесие других, более важных ресурсов жизненного круговорота.

Урожай, получаемый человеком, составляет 1 % чистой или 0,5 % общей первичной продукции биосферы, если учитывать только потребление  пищи человеком. Вместе с домашними  животными это 6 % чистой продукции  биосферы или 12 % чистой продукции суши.

Энергия, которую  расходует человек, чтобы получить больший урожай, называется добавочной энергией. Она необходима для индустриализованного сельского хозяйства, так как  этого требуют культуры, созданные  специально для него. «Индустриализованное (использующее энергию горючих ископаемых) сельское хозяйство (как, например, практикуемое в Японии) может дать в 4 раза более  высокий урожай с гектара, чем  сельское хозяйство, в котором всю  работу выполняют люди и домашние животные (как в Индии), но оно  требует в 10 раз больших затрат разного рода ресурсов и энергии» . Так называемые энергетические «субсидии» соответствуют закону убывающей отдачи А. Тюрго – Т. Мальтуса, формулируемому следующим образом: «Повышение удельного вложения энергии в агросистему не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности (урожайности)».

Замкнутость производственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретически невозможна, поскольку течение энергетических процессов (в соответствии со вторым началом термодинамики) сопровождается деградацией энергии и повышением энтропии природной среды. Действие второго начала термодинамики выражается в том, что превращения энергии идут в одном направлении в отличие от цикличного движения веществ.

В формулировке Ю. Одума второе начало термодинамики справедливо по крайней мере для современного состояния системы «человек – природная среда», поскольку существование этой системы полностью зависит от притока солнечной энергии. Мы являемся свидетелями того, что повышение уровня организации и разнообразия культурной системы уменьшает ее энтропию, но увеличивает энтропию окружающей природной среды, вызывая ее деградацию. В какой степени можно элиминировать эти следствия второго начала? Существуют два пути. Первый заключается в уменьшении потерь используемой человеком энергии при ее различных превращениях. Этот путь эффективен в той мере, в которой не приводит к понижению стабильности систем, через которые идет поток энергии (как известно, в экологических системах увеличение числа трофических уровней способствует повышению их устойчивости, но в то же время росту потерь энергии, проходящей через систему). Второй путь заключается в переходе от повышения упорядоченности культурной системы к повышению упорядоченности всей биосферы. Общество в этом случае повышает организованность природной среды за счет понижения организованности той части природы, которая находится за пределами биосферы Земли.

Концепция экосистемы

Живые организмы  и их абиотическое окружение неразделимо  связаны друг с другом и находятся  в постоянном взаимодействии. Любая биологическая система, включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собой экологическую систему или экосистему.

Долговременное функционирование экосистемы обеспечивают три основных компонента - сообщество, поток энергии  и круговорот веществ.

Поток энергии направлен  в одну сторону; часть поступающей  солнечной энергии преобразуется  сообществом и переходит на качественно  более высокую ступень, трансформируясь  в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную  форму энергии, чем солнечный  свет; но большая часть энергии  деградирует, проходит через систему  и покидает ее в виде низкокачественной  тепловой энергии ("тепловой сток"). В конечном итоге эта судьба ожидает  всю энергию, поступающую в биосферу. Энергия может накапливаться  в экосистеме, затем снова высвобождаться или экспортироваться в другую систему, но ее нельзя использовать вторично.

В отличие от энергии  элементы питания, в том числе  биогенные элементы, необходимые  для жизни (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и др.), не только могут, но и должны использоваться многократно.

Все экосистемы, даже самая крупная - биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Разумеется, экосистемы, входящие в биосферу, также  в разной степени открыты для  потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому  концепция экосистемы должна учитывать  существование связанных между  собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы "среды на входе" и "среды на выходе": в концептуально законченную экосистему входит среда на входе, среда на выходе и система , т.е.:

Экосистема=IE+S+OE,

где IE - среда на входе; S - система; OE - среда на выходе. 
Данная схема решает проблему, связанную с проведением границ рассматриваемой единицы, поскольку в этом случае не имеет значения, как мы вычленяем исследуемую часть экосистемы. Часто удобными оказываются естественные границы, например берег озера или опушка леса; или административные, например границы города; но эти границы могут быть и условными, если их точно определить геометрически. Конечно, экосистема не ограничена "ящиком" в центре схемы, поскольку если бы этот "ящик" был герметичным, то его живое содержимое (озеро или город) не вынесло бы такого заключения. Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ 
 

Заключение.

Живые организмы  и их абиотическое окружение неразделимо  связаны друг с другом и находятся  в постоянном взаимодействии. Любая биологическая система, включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собой экологическую систему или экосистему.

Все экосистемы, даже самая крупная - биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Разумеется, экосистемы, входящие в биосферу, также  в разной степени открыты для  потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому  концепция экосистемы должна учитывать  существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы "среды на входе" и "среды на выходе".  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература: 

1. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2  т.  -  М.:Мир,

   1993.

2. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986.

3. Реймерс Н. Ф.  Охрана  природы и окружающей  человека  Среды:  Словарь-

   справочник. - М.:Просвещение, 1992. - 320 с.

4. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология.

5. М.: Высш. шк., 1988. - 272 с.

6. Рузалин Г. И. "Концепция современного естествознания" М.1997г.