Энергетическое обеспечение каких экосистем осуществляется зелеными растениями

Обновлено: 28.06.2024

Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определённых отношениях, образуя тем самым так называемые экологические системы.

Биоценоз — совокупность популяций разных видов, обитающих на определённой территории. Растительный компонент биоценоза называется фитоценозом, животный — зооценозом, микробный — микробоценозом.

Ведущим компонентом в биоценозе является фитоценоз. Он определяет, каким будет зооценоз и микробоценоз.

Биотоп — определённая территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва).

Биогеоценоз — совокупность биоценоза и биотопа.

Экосистема — система живых организмов и окружающих их неорганических тел, связанных между собой потоком энергии и круговоротом веществ.

Структура и функционирование экосистем

Различают видовую, пространственную и экологическую структуры биоценоза.

Видовая структура — число видов, образующих данный биоценоз, и соотношение их численности или массы. То есть видовая структура биоценоза определяется видовым разнообразием и количественным соотношением числа видов или их массы между собой.

Пространственная структура — распределение организмов разных видов в пространстве (по вертикали и по горизонтали). Пространственная структура образуется, прежде всего, растительной частью биоценоза. Различают ярусность (вертикальная структура биоценоза) и мозаичность (структура биоценоза по горизонтали).

Экологическая структура — соотношение организмов разных экологических групп. Биоценозы со сходной экологической структурой могут иметь разный видовой состав. Это связано с тем, что одни и те же экологические ниши могут быть заняты сходными по экологии, но далеко не родственными видами. Такие виды называются замещающими, или викарирующими.

Функциональные группы организмов в экосистеме

Группа	Характеристика	Организмы
Продуценты	Автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез	Растения и автотрофные бактерии
Консументы	Гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов	Животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы
Редуценты	Гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ	Сапротрофные бактерии и грибы

Пищевые цепи и сети. Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания.

Цепь питания — последовательность организмов, по которой передаётся энергия, заключённая в пище, от её первоначального источника. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем.

В пищевой цепи редко бывает больше 4–5 трофических уровней.

Трофические уровни в цепи питания

Уровень	Группа организмов	Организмы
Первый	Продуценты	Автотрофные организмы, преимущественно зелёные растения
Второй	Консументы первого порядка	Растительноядные животные
Третий	Консументы второго порядка	Первичные хищники, питающиеся растительноядными животными
Четвёртый	Консументы третьего порядка	Вторичные хищники, питающиеся плотоядными животными
…	…	…
Последний	Редуценты	Сапротрофные бактерии и грибы, осуществляющие минерализацию — превращение органических остатков в неорганические вещества

Типы пищевых цепей

Тип	Характеристика	Примеры
Цепи выедания (или пастбищные)	Пищевые цепи, начинающиеся с живых фотосинтезирующих организмов	Фитопланктон → зоопланктон → рыбы микрофаги → рыбы макрофаги → птицы ихтиофаги
Цепи разложения (или детритные)	Пищевые цепи, начинающиеся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных	Детрит → детритофаги → хищники микрофаги → хищники макрофаги

Таким образом, поток энергии, проходящий через экосистему, разбивается как бы на два основных направления. Энергия к консументам поступает через живые ткани растений или через запасы мертвого органического вещества. Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения — в экосистемах суши.
В сообществах пищевые цепи сложным образом переплетаются и образуют пищевые сети. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько видов, каждый из которых, в свою очередь, может служить пищей нескольким видам. С одной стороны, каждый трофический уровень представлен многими популяциями разных видов, с другой стороны, многие популяции принадлежат сразу к нескольким трофическим уровням. В результате благодаря сложности пищевых связей выпадение какого-то одного вида часто не нарушает равновесия в экосистеме.

Поток энергии и круговорот веществ в экосистеме. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. Выделенные в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы автотрофами для синтеза органических веществ. Так осуществляется биологический круговорот веществ.
В то же время энергия не может циркулировать в пределах экосистемы. Поток энергии (передача энергии), заключенной в пище, в экосистеме осуществляется однонаправлено от автотрофов к гетеротрофам.
При передаче энергии с одного трофического уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики) и только около 10 % от первоначального количества передаётся по пищевой цепи.
В результате пищевые цепи можно представить в виде экологических пирамид. Различают три основных типа экологических пирамид.

Пирамида чисел (а) показывает, что если бы мальчик питался в течение одного года только телятиной, то для этого ему потребовалось бы 4,5 телёнка, а для пропитания телят необходимо засеять поле в 4 га люцерной, что составит 2 х 107 растений. В пирамиде биомасс (б) число особей заменено их биомассой. В пирамиде энергии (в) учтена солнечная энергия. Люцерна использует 0,24 % солнечной энергии. Для накопления продукции телятами в течение года используется 8 % энергии, аккумулированной люцерной. На развитие и рост ребёнка в течение года используется 0,7 % энергии, аккумулированной телятами. В результате чуть более одной миллионной доли солнечной энергии, падающей на поле в 4 га, используется для пропитания ребёнка в течение одного года.

Пирамида чисел (пирамида Элтона) отражает уменьшение численности организмов от продуцентов к консументам.

Пирамида биомасс показывает изменение биомасс на каждом следующем трофическом уровне: для наземных экосистем пирамида биомасс сужается кверху, для экосистемы океана имеет перевёрнутый характер, что связано с быстрым потреблением фитопланктона консументами.

Пирамида энергии (продукции) имеет универсальный характер и отражает уменьшение количества энергии, содержащейся в продукции, создаваемой на каждом следующем трофическом уровне.

Биологическая продуктивность экосистем

Прирост биомассы в экосистеме, созданной за единицу времени, называется биологической продукцией (продуктивностью). Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.
Первичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени продуцентами. Она делится на валовую и чистую. Валовая первичная продукция (общая ассимиляция) — это общая биомасса, созданная растениями в ходе фотосинтеза. Часть её расходуется на поддержание жизнедеятельности растений — траты на дыхание (40–70%). Оставшаяся часть составляет чистую первичную продукцию (чистая ассимиляция), которая в дальнейшем используется консументами и редуцентами или накапливается в экосистеме.
Вторичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени консументами. Она различна для каждого следующего трофического уровня.
Масса организмов определённой группы (продуцентов, консументов, редуцентов) или сообщества в целом называется биомассой. Самой высокой биомассой и продуктивностью обладают тропические дождевые леса, самой низкой — пустыни и тундры.
Если в экосистеме скорость прироста растений (образования первичной продукции) выше темпов переработки её консументами и редуцентами, то это ведёт к увеличению биомассы продуцентов. Если при этом присутствует недостаточная утилизация продуктов опада в цепях разложения, то происходит накопление мёртвого органического вещества. Это ведёт к заторфовыванию болот, образованию мощной лесной подстилки и т. п. В стабильных экосистемах биомасса остаётся постоянной, так как практически вся продукция расходуется в цепях питания.

Динамика экосистем

Изменения в сообществах могут быть циклическими и поступательными.

Циклические изменения — периодические изменения в биоценозе (суточные, сезонные, многолетние), при которых биоценоз возвращается к исходному состоянию.

Поступательные изменения — изменения в биоценозе, в конечном счёте приводящие к смене этого сообщества другим. Сукцессия — последовательная необратимая и закономерная смена одного биоценоза (экосистемы) другим(-ой) в результате влияния природных факторов (как внешних, так и внутренних) или воздействия человека. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в сукцессии, называется сукцессионный ряд, или серия. Каждая предыдущая стадия (сообщество) формирует условия для развития последующего сообщества. К сукцессиям относятся опустынивание степей, зарастание озёр и образование болот и др. (табл.)

Типы сукцессий

Тип	Характеристика	Примеры
В зависимости от участия человека
Природные	Происходят под действием естественных причин, не связанных с деятельностью человека	Появление пруда в результате деятельности бобров; восстановление биоценоза после пожара, вызванного естественными причинами
Антропогенные	Обусловлены деятельностью человека	Эвтрофикация (зарастание) водоёма в результате попадания в него азотных и фосфорных удобрений с сельскохозяйственных полей; восстановление биоценоза после пожара, вызванного человеком
В зависимости от первоначального состояния субстрата, на котором развивается сукцессия
Первичные	Развиваются на субстрате, не занятом живыми организмами	Развиваются на скалах, обрывах, застывшей лаве, сыпучих песках, отмелях, в новых водоёмах
Вторичные	Происходят на месте уже существующих биоценозов после их нарушения	В результате вырубки леса, пожара, распашки, осушения, орошения земель
В зависимости от причин, вызвавших сукцессию
Аутогенные (самопорождающиеся)	Возникают вследствие внутренних причин (изменения среды под действием сообщества)	Регулярно-периодическое выгорание калифорнийской и австралийской чапарали в результате формирования огнеопасной среды
Аллогенные (порожденные извне)	Вызваны внешними причинами	Опустынивание степей в результате изменения климата (уменьшения количества осадков)

В своём развитии экосистема стремится к устойчивому состоянию. Сукцессионные изменения происходят до тех пор, пока не сформируется стабильная экосистема, производящая максимальную биомассу на единицу энергетического потока. Сообщество, находящееся в равновесии с окружающей средой, называется климаксным.

Природные экосистемы

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить три группы и ряд типов природных экосистем (биомов). В основе классификации для наземных экосистем лежит тип естественной (исходной) растительности, для водных экосистем — гидрологические и физические особенности.
Наземные экосистемы:
1. Тундра: арктическая и альпийская.
2. Бореальные хвойные леса.
3. Листопадный лес умеренной зоны.
4. Степь умеренной зоны.
5. Тропические злаковники и саванна.
6. Чапараль (районы с дождливой зимой и засушливым летом).
7. Пустыня: травянистая и кустарниковая.
8. Полувечнозелёный тропический лес (районы с выраженными влажным и сухим сезонами).
9. Вечнозелёный тропический дождевой лес.
Пресноводные экосистемы:
1. Лентические (стоячие воды): озера, пруды, водохранилища и др.
2. Лотические (текучие воды): реки, ручьи, родники и др.
3. Заболоченные угодья: болота, болотистые леса, марши (приморские луга).
Морские экосистемы:
1. Открытый океан (пелагическая экосистема).
2. Воды континентального шельфа (прибрежные воды).
3. Районы апвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством).
4. Эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, лиманы, солёные марши и др.).
5. Глубоководные рифтовые зоны.
Помимо основных типов природных экосистем (биомов) различают переходные типы — экотоны. Например, лесотундра, смешанные леса умеренной зоны, лесостепь, полупустыни и др.

Антропогенные экосистемы

Агроэкосистемы (сельскохозяйственные экосистемы, агроценозы) — искусственные экосистемы, возникающие в результате сельскохозяйственной деятельности человека (пашни, сенокосы, пастбища). Агроэкосистемы создаются человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов (урожая). В них, так же как в естественных сообществах, имеются продуценты (культурные растения и сорняки), консументы (насекомые, птицы, мыши и т. д.) и редуценты (сапротрофные грибы и бактерии). Обязательным звеном пищевых цепей в агроэкосистемах является человек.
Отличия агроценозов от естественных биоценозов:
• незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность);
• короткие цепи питания;
• неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем);
• источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений);
• искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек);
• отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др.
Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека.
Урбосистемы (урбанистические системы) — искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т. д.

Источник и качество доступной энергии в той или иной степени определяет видовой состав и численность организмов, характер функциональных процессов, протекающих в экосистеме, и процессов её развития, а также образ жизни человека. Поскольку энергия общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем, как природных, так и антропогенных, логично принять энергию за основу для "первичной" классификации экосистем. Удобно выделить на этой основе четыре фундаментальных типа экосистемы.

1. Природные, движимые Солнцем, несубсидируемые. Источник энергии Солнце, ежегодный приток энергии 1000¸10000 ккал/м². К этому типу принадлежат открытые океаны, горные леса, степи, большие глубокие озёра; они занимают 70% площади Земли. Часто на них накладываются и другие ограничения, например, нехватка элементов питания и воды. Эти экосистемы имеют низкую продуктивность. Организмы, живущие в них, выработали хорошую адаптацию к существованию на скудном пайке энергии. В силу большого объёма этих экосистем они основа системы жизнеобеспечения Земли.

2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками. Ежегодный приток энергии 10000¸40000 ккал/м². Примеры: эстуарии в приливных морях, некоторые дождевые леса. Это природные системы, обладающие естественной плодородностью и характеризующиеся не только высокой поддерживающей способностью, но и производящие излишки органического вещества, которые могут выноситься в другие системы или накапливаться.

3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком. Ежегодный приток энергии 20000÷40000 ккал/м². Основной пример: агроэкосистема. Это системы, производящие продукты питания и волокнистые материалы, и получающие дотации в форме горючего или в др. формах, поставляемых человеком. Это экосистемы с не просто повышенной продуктивностью, а с продуктивностью, нацеленной на производство пищевых и волокнистых материалов, легко собираемых и перерабатываемых.

4. Индустриальногородские, движимые топливом. Главный источник энергии не Солнце, а топливо. Ежегодный приток энергии 100000¸3000000 ккал/м². Это системы, в которых генерируется наше богатство, но они зависят от экосистем первых трёх типов, паразитируя на них и получая от них продукты питания и топливо. Характеризуются сверхбольшими потоками энергии. В год на человека приходится около 80 млн. ккал при годовой потребности пищи в 1 млн. ккал, т.е. на промышленность, транспорт, сельское и домашнее хозяйство расходуется в 80 раз энергии больше, чем требуется для физиологических нужд.

Билет

Понятия о популяциях

Популяцией в экологии называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Слово “популяция” от лат. populus – народ, население. Экологическую популяцию, определяют как население одного вида на определенной территории.

Члены одной популяции оказывают друг на друга не меньше воздействие, чем физические факторы среды или другие, совместно обитающие, виды организмов. В популяциях проявляются в той или иной степени все формы связи, характерные для межвидовых отношений, но наиболее ярко выражены мутуалистические (взаимно полезные) и конкурентные. Специфические внутривидовые взаимосвязи – это отношения, связанные с воспроизводством между особями разных полов и между родителями и дочерним поколениями.

В популяциях действуют законы, позволяющие использовать ограниченные ресурсы среды для обеспечения воспроизводства потомства. Достигается это в основном через количественные изменения населения.

Поддержание оптимальной, в данных условиях, численности называют гомеостазом популяции. У каждой популяции можно выделить основные системные атрибуты (характеристики): состав, структуру и функцию.

Таким образом, популяции, как групповые объединения, обладают рядом специфических свойств. Групповые особенности – это основные характеристики популяций. К ним можно отнести:

Численность популяции – это общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Оно никогда не бывает постоянно и зависит от соотношения интенсивности размножения (плодовитости) и смертности. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности.

Плотность популяции– определяется количеством особей (либо биомассой) на единице площади или объема, занимаемого популяцией.

Существует много методов определения численности и плотности популяции, но все их можно объединить в 4 основные группы: метод прямого подсчета, мечения и повторных отловов, выборные и косвенные методы.

Рождаемость – (плодовитость) определяется числом новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения. Низкая плодовитость характерна для тех видов, которые проявляют большую заботу о потомстве. Кроме того, плодовитость зависит от скорости созревания, числа генераций в год, соотношения в популяции самцов и самок, обеспеченности кормом, влияния погодных условии и др. факторов.

Смертность популяции – это количество особей, погибших за определенный период. Различают три типа смертности. Первый характеризуется одинаковостью во всех возрастах; второй- повышенной гибелью особей на ранних стадиях развития; третий тип характеризуется повышенной гибелью взрослых (старых) особей.

Факторы смертности разнообразные. Это в основном: физические условия (низкие и высокие температуры, ливневые осадки, засуха и др.), биологические факторы (отсутствие корма, заболевания, и др.) и антропогенные (загрязнение окружающей среды, вырубка лесов, охота и др.

Билет

ТРОФИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ, пищевая цепь, цепь питания, взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии; группы особей (бактерии, грибы, растения и животные) , связанные друг с другом отношением пища - потребитель.

В трофической цепи при переносе потенциальной энергии от звена к звену большая её часть (до 80-90%) теряется в виде теплоты. Поэтому число звеньев (видов) в трофической цепи обычно не превышает 4-5 и, очевидно, чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального. В состав пищи каждого вида входит обычно не один, а несколько или много видов, каждый из которых в свою очередь может служить пищей нескольким видам. Поэтому трофические взаимоотношения видов в природе точнее передаются термином трофическая сеть (или паутина) . Однако представление о трофической цепи сохраняет своё значение, когда оказывается возможным разнести всех членов сообщества по отдельным звеньям цепи - трофическим уровням.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы) . Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче.

Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы) , питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом) . Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества) , детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики) .
Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах) .

Билет

Живые организмы определенным образом связаны друг с другом. Различают следующие типы связей между видами:

Наиболее важными являются трофические и топические связи, так как именно они удерживают организмы разных видов друг возле друга, объединяя их в сообщества.

Трофические связи возникают между видами, когда один вид питается другим: живыми особями, мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности. Трофическая связь может быть прямой и косвенной. Прямая связьпроявляется при питании львов живыми антилопами, гиен трупами зебр, жуков-навозников пометом крупных копытных и т. д. Косвенная связь возникает при конкуренции разных видов за один пищевой ресурс.

Топические связи проявляются в изменении одним видом условий обитания другого вида. Например, под хвойным лесом, как правило, отсутствует травянистый покров.

Форические связи возникают, когда один вид участвует в распространении другого вида. Перенос животными семян, спор, пыльцы растений называется зоохория, а мелких особей — форезия.

Фабрические связи заключаются в том, что один вид использует для своих сооружений продукты выделения, мертвые остатки или даже живых особей другого вида. Например, птицы при постройке гнезд используют ветки деревьев, траву, пух и перья других птиц.

Цель данной курсовой работы систематизация и углубление знаний по теме энергетика экосистем, цель реализуется в системе задач.
Задачи:
Дать определения понятиям экосистема, энергетика экосистем, поток энергии
Выяснить по каким законам происходит поток энергии в экосистемах
Выяснить откуда берется энергия в экосистемах и куда девается
Выяснить какие существуют пути передачи энергии в экосистемах, рассмотреть трофические цепи
Рассмотреть энергетику экосистем на примере тропического леса
Рассмотреть энергетику водных систем, выявить различия между водными и наземными экосистемами

Содержание

Глава 2 Поток энергии……………………………………………………….…..9-17
Раздел 1 Солнце как первоисточник энергии………………………. ……. …9-10
Раздел 2 Трофические цепи и уровни…………………………………………10-14
Раздел 3 Экологические пирамиды……………………………………………14-17
Резюме к главе 2……………………………………………………………………17

Работа содержит 1 файл

Курсовая по общей экологии.docx

Мы проследили два основных пути превращения кинетической энергии солнечного света. (Рис. 1.) Первый путь - путь прямого превращения в энергию теплового излучения. И второй - путь поглощения солнечного света фотосинтезирующими организмами с продуцированием органического вещества. (Рис. 1.)

пути превращения энергии в экосистеме Рис.1

потенциальная энергия органических соединений, синтезированных зелеными растениями

Консументы (травоядные, хищники)

потенциальная энергия органических соединений, синтезированных зелеными растениями

потенциальная энергия собственной протоплазмы

Схема показывает, что несамопроизвольные процессы, протекающие в биологических системах, возможны только благодаря параллельно происходящему в них рассеянию энергии в самопроизвольных процессах.

Э.Шредингер (1945 г.) тоже считал особенностью живых систем их неуравновешенность с окружающей средой, которая поддерживается непрерывным обменом открытой живой системы с окружающий средой едой, питьем, дыханием и т.д. Но обмен сам по себе ничего дать не может. Любой атом азота, кислорода, серы и т.п. также хорош, как и любой другой такого же рода. Может быть, целью обмена является поглощение энергии. Но ведь в зрелом организме содержание материи также постоянно, как и содержание энергии поэтому замена одного джоуля другим ничего не меняет. Более того, потребление пищи (энергии) взрослым организмом, как правило, значительно превышает потребности молодого, которому нужно интенсивно синтезировать собственную протоплазму. Значит, постоянный приток пищи необходим живым системам не только для накопления энергии на черный день, либо для построения организма, т.е. для синтеза органических соединений, характерных для данного вида, и главным образом не для этого. Чтобы разобраться в этой проблеме рассмотрим, а как ведут себя неживые неравновесные системы. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится. В результате трения, теплопроводности, химических реакций и других самопроизвольных процессов потенциалы выровняются, система в целом угаснет и превратится в инертную массу материи, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии. (Хороший пример - растворение кристалла поваренной соли. На последнем примере удобно показать, что происходит с энтропией в самопроизвольных процессах. Кристалл - упорядоченная ионная структура, где каждый ион занимает определенное место в кристаллической решетке; при растворении эта структура нарушается, происходит ее разупорядочение, т.е. энтропия увеличивается).

Таким образом, все, что происходит в природе, ведет к увеличению энтропии в той части мира, где это происходит, включая живые системы. Последние тоже непрерывно увеличивают свою энтропию, то есть производят положительную энтропию, и приближаются к опасному состоянию максимальной энтропии - смерти. Следовательно, неравновесное состояние живых систем поддерживается за счет извлечения ими из окружающей среды отрицательной энтропии - негоэнтропии. Назначение обмена - освободиться от производимой положительной энтропии и извлечь отрицательную. Но чем выше энтропия, тем больше беспорядок, и наоборот. Поэтому извлечение негоэнтропии есть "извлечение порядка", повышение упорядоченности системы, организма.

Есть два различных механизма, производящих упорядоченные явления: статический, создающий порядок из беспорядка; и механизм, создающий порядок из порядка низшего уровня. Закон сохранения энергии ничего не дает для их объяснения. Видимо, его надо искать на основе второго закона. Известно, что высшие животные питаются хорошо упорядоченными органическими соединениями. Использовав упорядоченность этих продуктов, животные возвращают в окружающую среду вещества в очень деградировавшей, неупорядоченной форме, там они усваиваются растениями. Для последних же мощным средством выработки отрицательной энтропии является солнечный свет, с помощью которого в хлорофилле происходит повышение упорядоченности деградировавших веществ - фотосинтез, и цикл повторяется. Это единственный на Земле естественный процесс, в котором энтропия уменьшается - за счет непрерывного рассеяния солнечной энергии, которая достается экосистемам даром.

Таким образом, важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом - способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть неуравновешенное состояние с низкой энтропией (с окружающей средой, но неустойчивое равновесие для самого индивида). Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре выше абсолютного нуля, когда существует тепловое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по откачиванию "неупорядоченности". Эта работа предполагает постоянно действующий источник энергии и наличие хорошо развитых "диссипативных структур" у самой системы. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой концентрированной энергии (например, энергии света, горючего, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Дыхание высокоупорядоченной биомассы можно рассматривать как диссипативную структуру экосистемы. Это затрата энергии на поддержание жизнедеятельности.

РЕЗЮМЕ К ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2 ПОСТУПЛЕНИЕ, ДВИЖЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ

РАЗДЕЛ 1 СОЛНЦЕ КАК ПЕРВОИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

поток солнечной энергии на Земле и ее трансформации Рис.2

Одним из основных принципов функционирования экосистем является то, что они существуют за счет незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно. Дадим более детальное описание каждой из перечисленных характеристик солнечной энергии.

1. Избыток. Растения используют около 0,5% ее количества, достигающего Земли. Если бы люди существовали только за счет солнечной энергии, то они бы использовали еще меньшую ее часть. Следовательно, ее поступающего на землю количества достаточно для удовлетворения потребностей человечества, а так как солнечная энергия в конце концов превращается в тепло, то увеличение ее использования не должно оказывать влияния на динамику биосферы.

3. Постоянство. Солнечная энергия всегда будет доступна в одинаковом, безграничном количестве.

4. Вечность Ученые считают, что Солнце через несколько миллиардов лет погаснет. Однако для нас это не имеет практического значения, так как люди, по современным данным, существуют только около 3 млн лет. Это всего 0,3% миллиарда. Отсюда, если даже через 1 млрд лет жизнь на Земле станет невозможной, у человечества в запасе еще 99,7% этого срока, или каждые 100 лет он будет уменьшаться всего на 0',00001 %.

Изучая поток энергии в экосистеме, т. е. ее энергетику, пользуются соответствующими физическими единицами. В системе СИ количество энергии измеряют в джоулях (Дж), но до сих пор часто употребляются калории. Определение этих единиц дано в таблице, где приводится также их запас в некоторых пищевых продуктах и организмах (их энергоемкость, или калорийность), а также суточные потребности в энергии трех групп животных (их энергозатраты).

РАЗДЕЛ 2 ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И УРОВНИ

Существуют три основных вида трофических сетей. В первом указаны только пищевые связи между видами, без указаний на частоту или интенсивность этих связей. Второй вид дает указания на количество энергии, передаваемой от одного вида другому (это может выражаться в толщине линий). В третьем показаны наиболее важные взаимоотношения с точки зрения воздействия на структуру сообщества (измеряемые согласно тому, как они воздействуют на численность видов). Составлено довольно много схем трофических сетей, в процессе их изучения выявлены основные образцы, выдвинуты многочисленные теории. Однако в настоящее время многие экологи полагают, что некоторые из этих образцов являются отражением несовершенства данных, на которых они основаны. К примеру, некоторые схемы, по всей видимости, изменяются в зависимости от того, сколько представителей сообщества было взято для исследования и каким образом были сгруппированы виды (в практических целях), представляющие одно звено трофической сети.

схема трофической сети в арктической тундре летом Рис.3

Для функционирования экологических систем необходима энергия, которая поступает в них преимущественно в виде лучистой энергии солнечного света.

Все разнообразие процессов, явлений (изменение состояния) в природе сопряжено с превращениями энергии, при которых происходит ее переход из одной формы в другие. Все экосистемы и биосфера в целом подчинены и регулируются теми же законами, что и неживая природа. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую. Но она не исчезает и не создается заново. Свет, например, как одну из форм энергии, можно превратить в тепло или потенциальную энергию химических связей пищи, но энергия при этом не исчезнет. Второй закон термодинамики связан с понятием энтропии.

Энтропию понимают как меру количества связанной энергии, которая рассеивается в виде тепловой, недоступной для использования.

Важнейшее свойство всех организмов экосистем – способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности. Это достигается постоянным и эффективным расходованием части недоступной, более концентрированной энергии (например, пищи), которая превращается в тепловую, используемую с трудом. В этих соединениях энергия находится в виде химических связей.

Готовые работы на аналогичную тему

Энергетическая классификация экосистем

Качество и источник доступной энергии в разной степени обусловливает численность и видовой состав организмов, характер функционального процесса, который протекает в экосистеме, и процесса её развития, и образ жизни человека. так как энергия является общим знаменателем и отправная движущая сила многих экосистем, как антропогенных, так и природных, целесообразно обозначить энергию как основу для "первичной" систематизации экосистемна этой основе выделяют четыре фундаментальных типа экосистемы.

Движимые Солнцем, природные, несубсидируемые.

Здесь источником энергии является Солнце, приток энергии ежегодно составляет – 1000-10000 ккал/м². К данному типу относятся открытые океаны, степи, горные леса, глубокие большие озёра; все они захватывают примерно 70% площади планеты. Нередко на них накладывают и прочие ограничения, например, недостаток элементов воды и питания. данные экосистемы обладают низкой продуктивностью. Организмы, которые живут в них, развили неплохую адаптацию к жизни на бедном пайке энергии. В силу значительного объёма данных экосистем они являются основой системы жизнеобеспечения планеты.

Субсидируемые другими естественными источниками природные, движимые Солнцем.

Ежегодный приход энергии состовляет 10000-40000 ккал/м². К данному типу относят эстуарии в морях, кое-какие дождевые леса. данные природные системы, которые обладают плодородностью и характеризуются как значительной поддерживающей способностью, так и вырабатывающие избытки органического вещества, выносящиеся в прочие системы или накапливающиеся.

Субсидируемые человеком, движимые Солнцем

Ежегодный приход энергии составляет – 20000-40000 ккал/м². важнейшей пример - это агроэкосистема. данная система производит волокнистые материалы и продукты питания, которые получаются дотацией в виде горючего или в других формах, которые поставляет человек. данные экосистемы обладают не просто увеличенной продуктивностью, а продуктивностью, которая нацелена на производство волокнистых и пищевых материалов, с легкостью перерабатываемых и собираемых.

Движимые топливом, индустриально-городские.

Важнейший поставщик энергии топливо, а не Солнце. Ежегодно приходит энергия в количестве от 100000 до 3000000 ккал/м². данная система, в которой генерируется человеческое богатство, зависит от первых трёх типов экосистем, она паразитирует на них, получая тем самым продукты топливо и питания от них. Для этой экосистемы характерны сверхбольшие потоки энергии. Ежегодно на одного человека достается около 80 миллионов ккал при этом годовая потребность в пищи в 1 млн. ккал, т.е. на транспорт, промышленность, домашнее и сельское хозяйство тратится в 80 раз больше энергии, чем необходимо для телесных нужд.

Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. При фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн -380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Она по длинам волн близка к видимой части спектра. На эту радиацию обычно приходится около 40% общей солнечной радиации, достигающей земной поверхности. Остальная часть спектра относится либо к более короткой (ультрафиолетовой), либо к более длинной (инфракрасной) радиации. С последней обычно связан тепловой эффект.

Растения являются первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания. Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т. п.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание, с которым в конечном счете, связаны все возможности ее высвобождения из химических связей органического вещества. Часть энергии переходит в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой (приростом, продукцией). Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия не усваиваются организмом. Они выводятся в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности (экскрементами). В последующем эта энергия высвобождается другими организмами, которые потребляют продукты выделения.

Баланс пищи и энергии для отдельного животного организма можно, таким образом, представить в виде следующего уравнения:

где э_п - энергия потребленной пищи, э_д - энергия дыхания или обеспечения жизнедеятельности организма, включая движение, поддержание температуры тела, сердцебиение и т. п., э_пр - энергия прироста (запасенная в теле организма-потребителя), э_п.в - энергия продуктов выделения (в основном экскрементов).

Количество энергии, расходуемой организмами на различные цели, неоднозначно. В периоды интенсивной жизнедеятельности взрослого организма в теле его может совершенно не фиксироваться энергия. Наоборот, траты ее в ряде случаев превышают поступление (организм теряет вес). В то же время в периоды интенсивного роста организмов, особенно в периоды размножения (беременности), в теле фиксируется значительное количество энергии.

Данное правило надо оценивать как относительное, ориентировочное. Вместе с тем из него следует, что цепь питания имеет ограниченное количество уровней, обычно не более 4-5. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Закономерности потока и рассеивания энергии имеют важные в практическом отношении следствия. Во-первых, с энергетической точки зрения крайне нецелесообразно потребление животной продукции, особенно с высоких уровней цепей питания. Образование этой продукции связано с большими потерями (рассеиванием) энергии. Особенно велики потери энергии при переходе с первого трофического уровня на второй, от растений к травоядным животным.

Часто в экологической литературе рассматривается в качестве примера цепь питания: люцерна – телята - мальчик. Показано, что если бы мальчик весом 48 кг питался только телятиной, то за год ему потребовалось бы для обеспечения жизнедеятельности 4,5 теленка, для питания которых, в свою очередь, необходим урожай люцерны с площади 4 га весом 8211 кг. Такова энергетическая цена животной пищи.

Во-вторых, чтобы сократить вероятность дефицита продуктов питания для интенсивно возрастающей численности населения (по закономерности, близкой к экспоненте), надо, чтобы в рационе людей больший удельный вес занимала растительная пища. Энергетически идеально - вегетарианство.

В-третьих, для увеличения КПД использования пищи при получении животноводческой продукции в условиях культурного хозяйства очень важно уменьшить основную статью нерационального расходования энергии - ее траты на дыхание. Это возможно за счет поддержания оптимального температурного режима в животноводческих помещениях, ограничения подвижности животных и, естественно, сбалансированности кормового рациона по различным элементам питания, а также применения различных биотехнических приемов (умеренные добавки стимуляторов роста, веществ, способствующих улучшению аппетита и т. п.).

Споры о допустимо возможной численности населения с точки зрения обеспечения питанием в значительной мере относительны, если они не учитывают, какой в среднем удельный вес в рационе отводится животной и растительной пище. Если исходить из рациона питания зажиточной части населения, потребляющей мяса 80-100 кг в год на одного человека, то явно невозможно обеспечение таким рационом современной численности населения Земли (более 6 млрд. человек). Если же исходить из необходимости обеспечения минимальных потребностей жизнедеятельности организма, при настоящем производстве продуктов питания, возможно, исключить голод и, кроме того, прокормить на 3-4 миллиарда населения больше современного. Для этого требует решения вопрос более сбалансированного распределения продуктов питания. Переход на вегетарианство и тем более расширение ассортимента растений, используемых в пищу, может обеспечить жизнедеятельность (с энергетической точки зрения) численности населения в 2-3 раза больше современной. Ясно, однако, что при этом останутся нерешенными многие медико-биологические проблемы здоровья и долголетия, а также допустимые пределы антропогенных нагрузок на экосистемы и биосферу в целом.

Читайте также: