Рух енергії в екосистемах, закон збереження енергії і її якості
Вступ.
1. Загальна схема трансформації енергії в екосистемах.
2. Поняття про екологічні піраміди.
3. Енергетична класифікація екосистем.
Висновки.
Список використаної літератури.
Вступ
Екосистема — основне поняття екології Екологія розглядає взаємодію живих організмів і неживої природи. Ця взаємодія, по-перше, відбувається в рамках певної системи (екологічної системи, екосистеми) і, по-друге, вона не хаотична, а певним чином організована, підлегла законам. Екосистемою називають сукупність продуцентів, консументів і детритофагів, взаємодіючих один з одним і з навколишнім їхнім середовищем за допомогою обміну речовиною, енергією й інформацією таким чином, що ця єдина система зберігає стійкість протягом тривалого часу.
Екосистема — це сукупність живих організмів, що обмінюються безупинно енергією, речовиною й інформацією один з одним і з навколишнім середовищем. Енергію визначають як здатність робити роботу. Властивості енергії описуються законами термодинаміки. Перший закон (початок) термодинаміки або закон збереження енергії затверджує, що енергія може переходити з однієї форми в іншу, але вона не зникає й не створюється заново. Другий закон (початок) термодинаміки або закон ентропії затверджує, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати. Стосовно до енергії в екосистемах зручне наступне формулювання: процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть відбуватися мимовільно тільки за умови, що енергія переходить із концентрованої форми в неуважну, тобто деградує. Міра кількості енергії, що стає недоступної для використання, або інакше міра зміни впорядкованості, що відбувається при деградації енергії, є ентропія. Чим вище впорядкованість системи, тим менше її ентропія.
1. Загальна схема трансформації енергії в екосистемах
Основним джерелом енергії, завдяки якому існує ЖР в біосферних середовищах є Сонце. Стабільність в існуванні цього енергетичного джерела є також одним із найважливіших факторів функціонування БС. Сонячна енергія проявляє себе в різних формах (кінетичній, потенціальній, радіоактивного розпаду, електромагнітних полів, морських хвиль, органічного палива та т ін.) і в певних умовах переходить з одного виду в інший (потенціальна в кінетичну, енергія випромінювання в теплову тощо). Спектр електромагнітного випромінювання Сонця розкладається на ультрафіолетову радіацію (0,19 — 0,39 мкм), фізіологічно активну радіацію — ФАР (0,38 — 0,7 мкм), інфрачервону радіацію (0,71 — 20-24 мкм). В приземному шарі сонячне електромагнітне випромінювання перетворюються в основному в теплову енергію (1 — 2% сумарної радіації і 2% ФАР) за рахунок фотосинтезу — в хімічну енергію, ще менше — механічну (фізичне вивітрювання гірських порід, термохімічний ефект та ін.) і електричну (встановлення електричного потенціалу рослин).
Перш за все необхідно пригадати, що властивості енергії визначаються законами термодинаміки. Згідно з першим законом, енергія може перейти із однієї форми в іншу, але вона не може зникати і створюватися наново (наприклад, сонячне світло є однією з форм енергії, оскільки його можна перетворити на роботу, тепло або потенційну енергію їжі в залежності від ситуації, але енергія не зникає). Процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть спонтанно відбуватися лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми у розсіяну, тобто деградує (наприклад, тепло гарячого предмета довільно прагне розсіятися в більш холодному середовищі). У цьому суть другого закону термодинаміки, який можна сформулювати і так: оскільки деяка частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступної для використання теплової енергії, то ефективність довільного перетворення кінематичної енергії в потенціальну (наприклад, сонячного світла в енергію хімічних сполучень) завжди менше ніж 100%.
Під екологічною ентропією розуміється безповоротне розсіяння енергії ЕС. Наприклад, втрата тепла через градієнт температур між ЕС і навколишнім середовищем. Найважливіша здатність організмів та ЕС — створювати й підтримувати високий ступінь внутрішньої впорядкованості, тобто стану з низькою ентропією {ентропія — міра внутрішньої невпорядкованості системи; чим більше ентропія, тим більше невпорядкованість і навпаки). Низька ентропія досягається постійним і ефективним розсіюванням енергії (наприклад, енергії світла і їжі) й перетворенням її на енергію, яка використовується з силою (наприклад, в теплову). ЕС та організми являють собою відкриті нерівноважні термодинамічні системи, які постійно обмінюються з навколишнім середовищем енергією та речовиною, що зменшує цим ентропію усередині себе, але збільшує ентропію зовні згідно з законами термодинаміки. Усі перетворення в ЕС завжди відповідають термодинамічній моделі незамкненої системи. Дію двох законів термодинаміки можна показати на прикладі перетворення сонячної енергії на енергію їжі (цукор) в процесі фотосинтезу. Для опису «поведінки» енергії у ЕС підходить поняття «потік енергії», оскільки, на відміну біогеохімічним кругообігам, перетворення енергії йдуть у одному напрямку (рис. 1).
Біосистеми у деякому розумінні можна порівняти зі своєрідними механізмами, що продукують біомасу. Кількість сонячної енергії, що досягає земної поверхні, становить 52% від загального випромінювання (решта витрачається на відбиття хмарами, пилом, поглинання водяною парою, озоном і т.д.); але із цієї кількості близько 10% витрачається на відбиття (альбедо). Лише 10% енергії, яку отримують рослини, трансформується в біомасу. Рослини фіксують лише 1% сонячного випромінювання, що надходить, та виробляють при фотосинтезі свій матеріал, тобто коефіцієнт корисної дії (ККД) фотосинтезу який дуже низький (0,1 -1,6%). Більш високий ККД у культурних рослин (до 3 — 5% і вище). При такій незначній витраті сонячної енергії на трансформацію у біопродукцію (1%) виникає питання: на що витрачається решта 99%? Визначено, що переважна частина (60 — 70%) витрачається на дихання, достатньо значна кількість (30 — 40%), не проникаючи у листя, відбивається від поверхні рослин.
Зміни енергетики природної ЕС у межах 1% виводить її із рівноважного стану {правило 1%). Всі екстремальні події, які можуть відбуватися в природи (виверження вулканів, циклони, смерчі, землетруси тощо), як правило, мають сумарну енергію, яка не перевищує 1% енергії сонячного випромінювання, що падає на поверхню нашої планети. Природні фактори, які змінюють енергетику EC в межах 1% , характеризуються відносною частотою в БС. Антропогенні зміни, що перевищують допустиму межу, здатні викликати негативні наслідки у природних екосистемах. Отже, правило 1% необхідно враховувати в природокористуванні для розробки обґрунтованих заходів, важливих в природних екстремальних умовах.
Енергія витрачається на кожному рівні трофічного (харчового) ланцюга. Продуценти, використовуючи сонячну енергію, виробляють хлоро-філутримуючу рослинну масу, яка служить їжею гетеротрофним організмам (консументам та деструкторам). Первинні консументи — це рослиноїдні тварини, що харчуються продуцентами (травами, листям, соками, пилком, насінням і т.д.). Вторинні консументи — це м'ясоїдні тварини, які живуть в основному за рахунок первинних консументів.
Трофічний ланцюг продуценти — рослиноїдні (травоїдні) — м'ясоїдні, насправді, більш складний. Так, до м'ясоїдних консументів додаються паразитуючі види і т.д. Щодо деструкторів, тобто мікроорганізмів, які викликають розклад органічних речовин і сприяють їх природній утилізації, то вони розташовуються на усіх рівнях трофічного ланцюга. Сукупність організмів, які одержують перетворену на їжу енергію Сонця і хімічних реакцій (від автотрофів) через однакове число посередників трофічного ланцюга (продуценти — первинні консументи — вторинні консументи та паразити вторинних консументів — вторинні хижаки й паразити вторинних консументів — паразити вторинних консументів — надпаразити високих порядків), називається трофічним рівнем.
Якось «осторонь» опиняються редуценти, які можуть скласти трофічний рівень, починаючи з другого (безпосередньо розкладаючі тіла продуцентів). На трофічному рівні енергія, накопичена рослинами в процесі фотосинтезу, розсіюється. Будь-який рослиноїдних конкурент вибірково підходить до їжі: він споживає не усяку рослину і не будь-яку частину рослини. Отже, частина калорій, накопичених рослинами, неминуче втрачається. Але і не весь корм, споживаний травоїдними, перетворюється в тваринні тканини. Якщо кількість калорій, спожитих консументами, прийняти за 100%, то 60-70% цих калорій буде уведено до шлунку, із них тільки 5-10% підуть на виробництво тваринного матеріалу. Аналогічну картину можна спостерігати на кожному трофічному рівні.
Згідно із правилом 10% з нижчого на більш високий трофічний рівень (продуценти — первинні консументи — вторинні консументи) переходить близько 10% енергії. Консументи не просто пасивні споживачі, що входять в трофічний ланцюг. Вони, задовольняючи свої потреби в енергії, часто через систему позитивного зворотного зв'язку діють на трофічні рівні, що знаходяться нижче. Наприклад, виїдання рослинності саван Африки величезними стадами антилоп збільшує швидкість повернення біогенів в ґрунт; завдяки цьому, в дощовий сезон посилюється відновлення трави і збільшення її продукції. Краби, риючи ґрунт, посилюють циркуляцію води навколо коріння рослин, яким вони харчуються, і вносять в анаеробну зону кисень і біогени; постійно переробляючи багаті органікою відкладення, вони поліпшують умови для зростання і розвитку бентосних форм.
Закон збереження енергії стверджує, що повна енергія в замкнених системах не змінюється з часом. Проте, енергія може перетворюватися з одного виду в інший.
Зворотний потік енергії, наприклад, від первинних консументів до продуцентів (мертві організми і екскременти тварин — редуценти, що виділяють з органічних речовин неорганічні сполуки, в т.ч. біогени -продуценти) складає не більше ніж 0,25-0,5% від загального потоку, тому говорити про кругообіг енергії в біоценозі не доводиться.
2. Поняття про екологічні піраміди
Піраміди чисел і біомаси можуть бути оберненими (або частково оберненими), тобто основа може бути меншою, ніж один чи кілька верхніх рівнів. Так буває, якщо середня маса продуцентів менша від маси консументів або якщо швидкість метаболізму продуцентів більша, ніж консументів. Навпаки, енергетична піраміда завжди звужуватиметься догори за умови, що враховуються всі джерела трофічної енергії в системі. Екологічна піраміда енергії дає найповніше уявлення про функціональну організацію угруповання. Вона відображає картину швидкостей переміщення маси їжі через ланцюг живлення.
Концепція потоку енергії дає змогу не лише порівнювати екосистеми між собою, а й оцінювати відносну роль популяцій у їхніх біологічних угрупованнях.
Як уже відзначалось, процес безперервної трансформації енергії супроводжується ії розсіюванням, втратами, зростанням ентропії, які компенсуються постійним надходженням сонячної енергії (1 грам сухої фітомаси містить 18,7 кДж енергії). В EC утворюється і витрачається органічна речовина, що дозволяє оцінювати їх продуктивність як швидкість утворення органічної речовини: первинна продуктивність — це швидкість засвоєння сонячної енергії продуцентами, а вторинна — це продуктивність консументів. При передачі від кожної попередньої ланки наступній ланці трофічного ланцюга втрачається близько 90-99% енергії: так, якщо рослинами створено на 1 м2 земної поверхні 84 кДж енергії, то продукція первинних консументів складає 8,4 кДж, а вторинних — близько 0,84 кДж.
Співвідношення поміж продуцентами, консументами (першого, другого порядків) та редуцентами в ЕС, яке відбите у їх масі й зображене у вигляді графічної моделі, називається пірамідою біомас.
Якщо трофічні зв'язки зобразити з урахуванням співвідношень у кількості осіб або видів, то кажуть про піраміду чисел {піраміда чисел Елтона), якщо з урахуванням кількості енергії, акумульованої одиницею поверхні за одиницю часу та використаної організмами на кожному трофічному рівні, то — про піраміду енергії. Такі моделі називаються екологічними пірамідами.
У наземних ЕС вага продуцентів (на одиницю площі і абсолютно) більше ніж вага консументів, консументів першого порядку — більша ніж консументів другого порядку і т.д., тому графічна модель звичайно має вигляд піраміди. У деяких водних ЕС, які відрізняються високою біопродуктивністю продуцентів, піраміда біомас може бути переверненою, тобто біомаса продуцентів в них менша, ніж консументів, а іноді і редуцентів. У цілому ж екологічні піраміди відбивають зменшення видового різноманіття, кількості біомаси та енергії від більш низьких до більш високих трофічних рівнів, тобто відбивають основну спрямованість трансформації енергії в ЕС. Відповідно до закону піраміди енергії (Р. Ліндеман, 1942) з одного трофічного рівня екологічної піраміди переходить на інший рівень в середньому не більш ніж 10% (від 7 до 17%) енергії (або речовини у енергетичному виразі) і це, як правило, не веде до несприятливих наслідків для ЕС (і трофічного рівня, який втрачає енергію). Це дозволяє зробити деякі еколого-економічні підрахунки (необхідної земельної площі для забезпечення населення продовольством і т.д.)..
Слід зазначити, що на вершині екологічної піраміди знаходиться людина. Автотрофність людства — поняття, що відповідає можливості отримання людьми їжі і енергії Сонця і її похідних видів (вітру, води, біомаси і т.д.) аналогічно тому, як відбувається утилізація неспожитої енергії рослинами (автотрофами). Вводячи цей термін в науковий ужиток, В.І. Вернадський (1937) мав на увазі одну з основних умов формування людьми ноосфери.
У наш час видається можливим говорити про первинну продуктивність, тобто про кількість енергії, продукованої рослинами у процесі фотосинтезу, і практично нічого не можна сказати про вторинну продуктивність, тобто про кількість енергії, продукованої на рівні консументів. Під первинною продукцією розуміється загальна кількість органічного матеріалу, зафіксованого фотосинтезом, включаючи органічні речовини, що використовуються рослинами для підтримки їх метаболічних потреб.
Первинна продуктивність — це первинна продукція будь-якої екосистеми за одиницю часу з одиниці площі, яка виражається у т/га сухої речовини, синтезованої за рік.
Загальна річна продукція наземних ЕС складає 30 млрд. тонн органічного матеріалу. Приблизно така і продукція органічного матеріалу всіх океанів, хоча поверхня їх удвічі більша за поверхню континентів. За даними американських авторів річна продукція континентальних та морських ЕС складає 100 млрд. тонн.
Енергетичний потенціал нерівномірно розподіляється у БС, як і 10% оброблюваної земної поверхні. У цьому полягає важлива проблема існування людства, оскільки найбільша густота населення не завжди пристосована до ландшафтів де продуктивність органічного матеріалу максимальна.
3. Енергетична класифікація екосистем
Оскільки спільним знаменником і початковою рушійною силою усіх ЕС, як природних, так і антропогенних, є потік енергії, то за джерелом, рівнем та якістю енергії Ю. Одум (1986) виділяє 4 типи екосистем.
Приклади: відкритий океан, високогірні ліси. Це основа життєзабезпечення «космічного корабля» Землі в Сонячній системі. Всі вони отримують мало енергії і мають низьку біопродуктивність. Організми цих екосистем можуть існувати на мізерній частці енергії та інших ресурсів і ефективно використовувати їх. Вони займають величезні площі, одні лише океани займають 70% площі земної кулі. У цьому величезному комплексі очищаються великі об'єми повітря, повертається у оборот вода, формується клімат і т.д.
Без зусиль людини виробляється деяка частка їжі. Окрім того, морські та гірські ландшафти мають велику естетичну цінність.
2. ЕС, які одержують енергію від Сонця, але з природною енергетичною субсидією. Приклади: естуарії у припливних морях, деякі тропічні дощові ліси. Це ЕС, які мають природну високу біопродуктивність і виробляють надлишки органічних речовин, які накопичуються або виносяться у інші ЕС. Так, у естуаріях існує додаткова енергія припливів, прибою і течій, яка сприяє більш швидкому кругообігу мінеральних речовин й переміщенню їжі та відходів; організми можуть сконцентрувати свої зусилля на ефективному перетворенні сонячної енергії. Використовуючи додаткову енергію припливів, організми естуаріїв виробляють більше біопродукції, ніж прилеглі ділянки суші або прісноводні внутрішньоконтинентальні водойми, які отримують ту ж кількість сонячної енергії.
3. Субсидовані людиною ЕС, які отримують енергію від Сонця. Приклади: агроекосистеми, аквакультури (підводні плантації). Це ЕС, які виробляють продукти харчування і отримують дотації у формі пального (або у інших формах), що постачаються людиною. Паливо для сільгоспмашин, м'язова сила тварин і людини — це така ж енергія, що надходить до агроекосистем, як сонячне світло, яку можна виміряти в калоріях, кінських силах або в одиницях системи СІ. Як образно відмічає Г. Одум (1971): "Хліб, рис, кукурудза або картопля частково зроблені із нафти". Навіть найпродуктивніші типи цих EC порівняні з природними ЕС за потужністю споживаної енергії. Людина намагається направляти як можна більше енергії на виробництво продуктів харчування, які вона може використати негайно, а природа розподіляє продукти фотосинтезу між багатьма видами й речовинами і накопичує енергію «на чорний день», тобто різниця між природними та антропогенними екосистемами полягає у розподіленні потоку енергії.
4. Промислово-міські EC, які отримують енергію палива. Приклади: міста, пригороди, індустріалізовані зелені зони. У цих EC генеруються багатства людства, але в них утворюються й основні кількості забруднюючих речовин. Головним джерелом енергії служить паливо, а не сонячна енергія. Ці екосистеми залежать від вищезазначених екосистем, паразитують на них, одержуючи продукти харчування, паливо та інші матеріали. Для них характерна велика потреба в енергії; вона у 2-3 рази вище за той потік енергії, який підтримує життя у природних та напівприродних EC, спонукуваних сонячною енергією. З цієї причини безліч людей можуть жити на невеликій площі промислово-міських EC. Величина енергії, яка щорічно витрачається на 1 м2 міста, визначається мільйонами ккал. Так, наприклад, на одного мешканця США припадає 87 млн. ккал на рік, а для функціонування людині необхідно лише 1 млн. ккал на рік. На домашнє господарство, промисловість, торгівлю, транспорт та інші види діяльності у США витрачається у 87 разів більше енергії, ніж потрібно для фізіологічних потреб людини. В Індії витрата енергії у 50 разів менша, а в Пакистані — у 100 разів менша ніж у США.
Отже, життя в екосистемі підтримується завдяки проходженню, що не припиняється, через живу речовину енергії, переданої від одного трофічного рівня до іншого; при цьому відбувається постійне перетворення енергії з одних форм в інші. Крім того, при перетвореннях енергії частина її губиться у вигляді тепла. Тоді виникає питання: у яких кількісних співвідношеннях, пропорціях повинні перебувати між собою члени співтовариства різних трофічних рівнів в екосистемі, щоб забезпечувати свою потребу в енергії? Весь запас енергії зосереджений у масі органічної речовини — біомасі, тому інтенсивність утворення й руйнування органічної речовини на кожному з рівнів визначається проходженням енергії через екосистему ( біомасу завжди можна виразити в одиницях енергії).
Швидкість утворення органічної речовини називають продуктивністю. Розрізняють первинну й вторинну продуктивність. У будь-який екосистемі відбувається утворення біомаси і її руйнування, причому ці процеси цілком визначаються життям нижчого трофічного рівня — продуцентами.
Всі інші організми тільки споживають уже створене рослинами органічна речовина й, отже, загальна продуктивність екосистеми від них не залежить. Високі швидкості продукування біомаси спостерігаються в природні й штучних екосистемах там, де сприятливі абіотичні фактори, і особливо при надходженні додаткової енергії ззовні, що зменшує власні витрати системи на підтримку життєдіяльності. Така додаткова енергія може надходити в різній формі: наприклад, на оброблюваному полі — у формі енергії викопного палива й роботи, чиненої людиною або твариною.
Таким чином, для забезпечення енергією всіх особин співтовариства живих організмів екосистеми необхідно певне кількісне співвідношення між продуцентами, консументами різних порядків, детритофагами й редуцентами. Однак для життєдіяльності будь-яких організмів, а значить і системи в цілому, тільки енергії недостатньо, вони обов'язково повинні одержувати різні мінеральні компоненти, мікроелементи, органічні речовини, необхідні для побудови молекул живої речовини.
Висновки
Таким чином, для природної екосистеми характерні три ознаки:
1) екосистема обов'язково являє собою сукупність живих і неживих компонентів;
2) у рамках екосистеми здійснюється повний цикл, починаючи зі створення органічної речовини й закінчуючи його розкладанням на неорганічні складові;
3) екосистема зберігає стійкість протягом деякого часу, що забезпечується певною структурою біотичних і абіотичних компонентів. Прикладами природних екосистем є озеро, ліс, пустеля, тундра, суша, океан, біосфера. Як видно із прикладів, більше прості екосистеми входять у більш складно організовані. При цьому реалізується ієрархія організації систем, у цьому випадку екологічних.
Таким чином, пристрій природи варто розглядати як системне ціле, що складається із вкладених одна в іншу екосистем, вищої з яких є унікальна глобальна екосистема — біосфера. У її рамках відбувається обмін енергією й речовиною між всіма живими й неживими складовими в масштабах планети.
Таким чином, будь-яка жива система, у тому числі й екосистема, підтримує свою життєдіяльність завдяки, по-перше, наявності в навколишнім середовищі в надлишку дарової енергії (енергія Сонця); у других, здатності за рахунок пристрою складових її компонентів цю енергію вловлювати й концентрувати, а використавши — розсіювати в навколишнє середовище. Таким чином, спочатку вловлювання, а потім концентрування енергії з переходом від одного трофічного рівня до іншого забезпечує підвищення впорядкованості, організації живої системи, тобто зменшення її ентропії.