Составляющие энергетического баланса в биосфере

Составляющие  энергетического  баланса в биосфере.

Источники и количество энергии в биосфере

 
Биосфера - это открытая термодинамическая система, которая получает энергию в виде лучистой энергии Солнца и тепловой энергии процессов радиоактивного распада веществ в земной коре и ядре планеты. Радиоактивная энергия, доля которой в энергетическом балансе планеты была значительной на абиотических фазах, сейчас не играет заметной роли в жизни биосферы, и основной источник энергии сегодня - это солнечное излучение. Ежегодно Земля получает от Солнца энергию, которая составляет около 10,5 * 1020 кДж. Большая часть этой энергии отражается от облаков, пыли и земной поверхности (около 34%), нагревает атмосферу, литосферу и Мировой океан, после чего рассеивается в космическом пространстве в виде инфракрасного излучения (42%), расходуется на испарение воды и образование облаков (23 %), на перемещение воздушных масс - образование ветра (около 1%). И только 0,023% солнечной энергии, попадающей на Землю, улавливается продуцентами - высшими растениями, водорослями и фототрофных бактериями - и запасается в процессе фотосинтеза в виде энергии химических связей органических соединений. За год в результате фотосинтеза образуется около 100 млрд. т органических веществ, в которых запасается не менее 1,8 * 1017 кДж энергии.

Эта связана  энергия далее используется консументами и редуцентами в цепях питания, и за его счет живое вещество выполняет  работу - концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, раздробляет и агрегирует неживую вещество. Работа живого вещества сопровождается рассеянием в виде тепла почти всей запасенной в процессе фотосинтеза солнечной энергии. Лишь доли процента этой «фотосинтетической» энергии не попадают в цепи питания и консервируются в осадочных породах в виде органического вещества торфа, угля, нефти и природного газа.

Итак, в  процессе работы, которую осуществляет биосфера, уловленного солнечная  энергия трансформируется, то есть идет на выполнение так называемой полезной работы, и рассеивается. Эти два процесса подчиняются двум фундаментальным естественным законам - первом и втором законам термодинамики. Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не может быть ни рожден, ни уничтожена, она может быть только трансформирована из одной формы в другую. Количество энергии при этом не меняется.

В экологических  системах происходит много преобразований энергии: лучистая энергия Солнца благодаря  фотосинтезу превращается в энергию химических связей органического вещества продуцентов, энергия, запасенная продуцентами, - на энергию, аккумулированную в органическом веществе консументов разных уровней, и т. д. Современное человеческое общество также превращает огромные количества одной энергии на другую. Второй закон термодинамики определяет направление качественных изменений энергии в процессе ее трансформации из одной формы в другую. Закон описывает соотношение полезной и бесполезной работы при переходе энергии из одной формы в другую и дает представление о качестве самой энергии.

Второй  закон термодинамики, я считаю, царит  среди законов Природы. И если ваша гипотеза противоречит этому закону, я ничем не могу вам помочь. (А. Эддингтон, английский астроном.

Вспомним, что во энергией понимают способность системы совершать работу.Но при любой трансформации энергии лишь часть ее расходуется на выполнение полезной работы. Остальные же безвозвратно рассеивается в виде тепла, т.е. осуществляется пустая работа, связанная с увеличением скорости беспорядочного движения частиц. Чем больший процент энергии расходуется на выполнение полезной работы и, соответственно, чем меньше процент при этом рассеивается в виде тепла, тем выше считается качество исходной энергии. Высококачественная энергия может быть без дополнительных энергетических затрат трансформирована в большее количество других видов энергии, чем низкокачественная.

Энергией  низкого качества есть энергия беспорядочного броуновского движения, то есть тепловая. ее нельзя использовать для выполнения полезной работы. Количество энергии низкого качества, непригодной для совершения полезной работы, называют энтропией. Упрощенно энтропия - это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.

Итак, по второму закону термодинамики, любая работа сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и низкого качества - тепло - и приводит к росту энтропии.

Снизить энтропию в термодинамически закрытой системе, которая не получает энергии  извне, невозможно - ведь вся качественная энергия такой системы в конце концов превращается в низкокачественную, деградирует к теплу.Однако в открытой термодинамической системе возможно противодействовать росту энтропии, используя для этого высококачественную энергию, поступающую извне, и отводя низкокачественную энергию за пределы системы.

Вселенная является закрытой системой, и в  нем энтропия постоянно растет.Зато биосфера является открытой системой, которая поддерживает собственный  низкий уровень энтропии, используя  для этого внешний источник качественной лучистой энергии - Солнце - и рассеивая в космическое пространство низкокачественную тепловую энергию. Поэтому, кроме энтропии физической (энтропии замкнутой системы), в экологии используют понятие «энтропия экологическая» - количество необратимо рассеянной в пространстве тепловой энергии, которая, однако, компенсируется трансформируемой энергией внешнего источника - Солнца.

Энтропия экологическая.

В Космосе  энтропия возрастает с течением времени, но внутри хаоса существуют островки порядка. Один из важнейших среди них - жизнь.

Живые системы за счет высоко упорядоченной  энергии Солнца с низко упорядоченных  компонентов окружающей среды создают  свой, выше, чем в окружающей среде, порядок. По популярным среди физиков выражению, живет питается не энергией, оно питается чужим порядком (например, порядком солнечного света, химических связей органических веществ). В процессе же упорядочивания живое вещество необратимо рассеивает энергию, которая течет сквозь экосистемы, то есть создает энтропию экологическую. Тепловое рассеяние энергии экосистемами происходит двумя основными путями:

1) обычных  потерь тепла за разницы в  температурах биоты и среды  обитания;

2) потери  тепла организмами и их группировками  в процессах метаболизма (в  частности дыхания) в связи с высвобождением энергии в ходе экзотермических реакций.

С точки  зрения второго закона термодинамики  биосфера не является «безотходным производством»: отходы ее деятельности - это не вещество, а это низкокачественная тепловая энергия, излучаемая за пределы планеты, то есть энтропия.

Считают, что эволюция биосферы происходила  в направлении уменьшения экологической  энтропии. Ведь за постоянного количества энергии, поступающей, чем меньше тепла излучается, тем более выполняется полезной работы, тем более упорядоченный становится система. Например, в системе продуцент - редуценты полезная работа заключается в противодействии распада тел лишь двух звеньев - продуцентов и редуцентов, а в системе продуцент-консументы-редуценты - уже в поддержании организации трех компонентов. При равенстве внешней энергии в обоих случаях вторая система, которая осуществляет больше полезной работы, излучать меньше тепла, т.е. иметь низкую экологическую энтропию. Из этого следует, что чем длиннее являются цепи питания, тем они энергетически совершенные.

Растения поглощают энергию Солнца.

Эта энергия  циркулирует в системе, которую  мы называем биотой и можем изобразить в виде багатосхидчастои пирамиды. Нижняя ступенька - почва.Ступенька, на которой располагаются растения, опирается а грунт; ступенька, на которой размещаются насекомые - на растения; птицы и грызуны - на насекомых, и так далее, через различные группы животных, к вершине, на которой находятся крупные хищники. Виды, составляющие одну ступеньку, объединяются не происхождением или внешним сходством, а типом пищи.Линии зависимости, отражающие передачи энергии, содержащейся в пище, от ее первичного источника (растения) - через ряд организмов, каждый из которых поедает предыдущего и съедается следующим, называются цепями питания. Земля, таким образом, - это не просто грунт, а источник энергии, циркулирующей в системе, состоящей из почвы, растений и животных. Цепи питания - это живые каналы, подающие энергию вверх, а смерть и тление возвращают ее в грунт. Система не замкнута - часть энергии теряется в процессе тления, часть добавляется поглощением из воздуха, накапливается в почве, торфе и лесах-долгожителях, но это система, которая действует постоянно, своеобразный фонд жизни, медленно накапливается и находится в постоянном обращении. (Л. Олдо, виднейший американский эколог, лесовод, охотовед).

Большое количество биомассы и энергии при  переходе с одного трофического уровня на другой рассеивается, расходуется  на поддержание температуры тела организмов, на превращение в СО2; не вся биомасса низшего уровня используется как пища организмами высшего уровня и не вся усваивается организмами. Иначе говоря, по второму, законом термодинамики, энергия переходит в тепло, рассеивается в окружающей среде и теряется в пространстве. Как отмечалось выше, по подсчетам экологов, только 10% биомассы одного трофического уровня превращается в биомассу второго уровня (так называемое правило десяти процентов). Поток энергии в цепях питания зависит от длины конкретной цепи, которая определяется количеством трофических уровней. Продуценты, синтезирующие органическое вещество, относятся к первому трофического уровня. Консументы, поедающие органическое вещество продуцентов, например травоядные животные (фитофаги), - до второго уровня; консументы, которые поедают фитофагов (например, хищники, охотящиеся на травоядных), находятся на третьем уровне и т. д. Редуценты, которые разлагают органические вещества на минеральные компоненты, находящиеся на последнем трофической уровне и завершают цепь питания. Они окончательно высвобождают энергию, связанную ранее продуцентами.

Поедая  или раскладывая органическое вещество представителей предыдущего трофического уровня, консументы или редуценты  получают вещество и энергию, необходимые  для процессов метаболизма, построения и поддержания собственного тела. При этом около 90% энергии, запасенной в потребленной органике, рассеивается в виде тепла и только в среднем 10% используется на построение и поддержание тела того, кто эту органическое вещество употребил. Например, консументы первого порядка (фитофаги), которые поедают продуцентов, содержатся в виде органического вещества своего тела лишь 10% энергии, связанной растениями в процессе фотосинтеза; в теле консументы второго порядка (плотоядным, питающийся фитофагами) запасается только 1% поглощенной солнечной энергии, а хищник, питается этим плотоядным (консументы третьего порядка), в своих клетках содержит только 0,1% солнечной энергии, связанной растениями.

Продукты  жизнедеятельности и отмершие тела как продуцентов, так и консументов становятся источником энергии для редуцентов - бактерий и грибов, разлагающих (минерализируют) эту органическое вещество и получают от 0,01 до 10% запасенной энергии Солнца в зависимости от того, к какому трофического уровня принадлежал объект питания. Через такие большие потери энергии при переходе ее из одного трофического уровня на следующий цепи питания не могут быть длинными и обычно насчитывают не более пяти звеньев: звено продуцентов, одну-три звена консументов, звено редуцентов.Круговорот веществ в биосфере.

Существование жизни на Земле зависит не только от потока энергии, но и от круговорота  веществ в биосфере. Все живые организмы получают из окружающей среды химические элементы, которые затем используют на построение или поддержание своих тел и на обеспечение процессов размножения. Всего известно около 80 элементов, необходимых биоте. С продуктами жизнедеятельности или после смерти эти элементы снова попадают в окружающую среду - атмосферу, гидросферу или литосферу, и в дальнейшем используются другими организмами. Итак, в биосфере постоянно происходит круговорот веществ. Прямо или косвенно этот круговорот осуществляется за счет солнечной энергии и сил гравитации.   

Химические  элементы, используемые живым веществом  в больших количествах и обычно составляют не менее 0,1% общей массы организма, называют макроэлементами. К макроэлементов относятся углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера, калий, магний и кальций. Все эти элементы, за исключением кислорода и водорода, называют также биогенными элементами, поскольку живое вещество избирательно и в значительном количестве поглощает их из неживого среды и концентрирует в клетках. Элементы, необходимые организмам в меньших количествах (до 0,1%), относятся к микроэлементам. Это медь, цинк, молибден, бор, йод, кремний и др. Макро-и микроэлементы используются живыми существами в составе определенных молекул. Элемент, входящий в состав молекулы, из которой он может быть усвоен организмом, называют доступным, или элементом в доступной форме.Часто для разных групп организмов доступные формы одного и того же элемента разные.

Круговороты кислорода и водорода.

Кислород  и водород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами - с органическим веществом, созданным продуцентами, при дыхании (из атмосферы или из водного раствора) и употребление питьевой воды. Как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращаются в неживое среду также в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.

Круговорот углерода.

Углерод - это основа органических веществ. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и других веществ, необходимых для существования живого вещества. К первичным источников углерода в биосфере принадлежат атмосферное углекислый газ, что составляет 0,036% общего объема тропосферы, и углекислый газ, растворенный в воде Мирового океана, где его количество в 50 раз выше, чем в атмосфере.