 |
|
Перетворення енергії в екосистемах
Уся різноманітність життя на Землі супроводжується перетвореннями енергії. Без цих перетворень енергії не було б життя. Наша цивілізація – одне з унікальних явищ природи, що майже цілком залежить від єдиного джерела енергії – Сонця. Можна навіть сказати, що екологія прояснює зв’язок між світлом і екологічними системами, а також способи перетворення енергії в екосистемах.
Енергія – засіб управління усіма природними і суспільними системами. Компонент енергії є в усьому: в матерії, інформації, творах мистецтва та людському дусі.
Енергія – загальна міра руху і взаємодії.
Властивості енергії находять відображення в двох основних фундаментальних законах – першому і другому законах термодинаміки.
Перший закон термодинаміки – енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не виникає з нічого і нікуди не зникає.
Розглянемо процеси перетворення енергії на прикладі світла.
1. Перетворення енергії світла в потенційну енергію без участі живих організмів. Сонячне світло розсіюється в космічному просторі, але деяка його частина досягає Землі. Світло поглинається предметом, який при цьому нагрівається. Світова енергія при цьому перетворюється в теплову. Внаслідок нерівномірного нагрівання води й суші утворюються повітряні потоки, які вирівнюють температуру, але й можуть виконувати механічну роботу – якщо на шляху переміщення повітряних потоків встановити вітряк, вони будуть крутити його.
Світло → Тепло → Кінетична енергія руху повітря →
→ Потенційна енергія (піднятий груз)
2. Перетворення енергії світла в потенційну енергію з участю живих організмів. Сонячна енергія, що одержується поверхнею зеленого листя, перетворюється в процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв’язків органічних сполук, які синтезуються. Органічні сполуки, утворені внаслідок фотосинтезу вміщують енергію харчу, яка перетворюється далі при споживанні харчу тваринами в потенційну енергію м’язової діяльності.
Світло → Енергія хімічних зв’язків → Енергія їжі →
→ Потенційна енергія м’язів (піднятий вантаж)
Другий закон термодинаміки – процеси, пов’язані з перетвореннями енергії можуть здійснюватися самотіч тільки при умові, що енергія переходить з концентрованої форми в розсіяну.
Наприклад: тепло нагрітого предмета самотіч розсіюється в більш холодному середовищі, поки температура предмета й середовища не зрівняється. Процес йде тільки в одному напрямку, зворотній шлях заборонений – предмет, який знаходиться в середовищі і має однакову з ним температуру, не може самотіч розігрітися, а середовище при цьому охолонути.
Ефективне використання енергії забезпечує виживання систем у змаганні з іншими системами. В лісі виживають дерева тих видів, які найкращим чином використовують сонячну енергію, енергію дощу і харчових речовин ґрунту, тим самим вони підтримують життєдіяльність лісу загалом.
Жива матерія відрізняється від неживої поперед усього здатністю акумулювати з навколишнього простору вільну енергію, перетворювати і концентрувати її, щоб протистояти зростанню ентропії.
Харчові ланцюги.
Основним шляхом перетворення енергії в біосфері є харчові ланцюги. Харчовий ланцюг – переміщення енергії їжі від її джерела – рослини – крізь ряд організмів, що здійснюється шляхом поїдання одних організмів іншими.
Ланки харчового ланцюгу називаються трофічними рівнями. В екосистемах організми, що одержують енергію Сонця крізь однакову кількість сходинок, належать до одного трофічного рівня. Перший трофічний рівень, з якого починаються всі харчові ланцюги, це продуценти– зелені рослини. Вони – це їжа для інших організмів – консументів та редуцентів. Консументи розподіляються на кілька трофічних рівнів залежно від природи їжі, який вони споживають. Другий трофічний рівень – це тварини, що споживають продуцентів. Сюди входять не тільки травоїдні тварини, але й ті тварини, що споживають сік, пилок рослин. Це первинні консументи. Всі тварини, що живуть за рахунок первинних консументів – вторинні консументи або плотоїдні (третій рівень). Таким чином, в харчовому ланцюгу з’явилися три рівня. Це найбільш широко розповсюджений харчовий ланцюг. Проте дуже часто харчові ланцюги бувають складнішими. За хижаками може розташовуватися наступний трофічний рівень – паразити. Отже, в харчовому ланцюгу існує кілька послідовних ланок. Стосовно мікроорганізмів, що викликають розкладення органічної речовини – редуцентів, то вони розташовані на всіх рівнях харчового ланцюгу. Вони розкладають мертву органіку і завершують кругообіги.
Сонячна енергія постійно надходить в екосистему. Але, на відміну від кругообігу речовин, який протікає в замкненому колі, енергія, коли переходить з одного трофічного рівня на інший, постійно незворотньо загублюється.
Найголовніша властивість харчового ланцюгу – це розсіювання енергії на кожному трофічному рівні. В середньому 10-20% калорій енергії, що були використані, піде на виробництво тваринного матеріалу, а 80-90% розсіється. Аналогічну картину можна спостерігати і на наступному трофічному рівні, а звідси й доля енергії, що переходить далі буде складати лише 1-2% від первинної. І так далі з кожним наступним трофічним рівнем. Ось чому трофічні ланцюги в природі дуже короткі – вони здебільшого нараховують три рівня, іноді більше, але більш ніж шість ланок в трофічному ланцюгу не буває.
Біоенергетику цілої екосистеми можна відобразити за допомогою універсальної моделі, що зображена на рисунку 4.1.
 |
Рисунок 4.1 - Біоенергетична модель екосистеми
де: В – екосистема;
I – поток енергії, що надходить в екосистему;
NU – енергія, що проходить через екосистему і розсіюється;
А = I – NU, тобто енергія, яка використовується в екосистемі;
R – енергія, яка витрачається на дихання;
Р = A – NU – R;
Е – енергія, що витрачається на відходи життєдіяльності (опале листя, гілки, екскременти тварин, тощо);
G – енергія , що переходить безпосередньо в продукцію;
S – енергія, що накопичується про запас, на випадок екстремальних ситуацій для організму, так звана “робочий зашморг” (наприклад: жирові відкладення у тварин).