Поток энергии в биосфере. §47

С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты. Биосфера, как и любая экосистема, - единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии. В биосфере протекают процессы окисления органических веществ, а также процессы, направленные к достижению равновесия, которое никогда не достигается, так как новые порции активных соединений благодаря живым организмам все время поступают в систему. Солнечная энергия в виде энергии биохимических связей является энергией геохимиче­ских процессов, преобразующих косные компоненты биосферы.

Любой живой организм биосферы зависит от спектра приземного сол­нечного излучения, температуры, влажности окружающей среды, химического состава воздуха, пищи и других факторов. Жизнедеятельность всех живых организмов, включая челове­ка, представляет собой работу, для осуществления которой требу­ется энергия. Энергия солнечной радиации первична на Земле и имеет преимущественное значение для жизни.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь мо­лекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических свя­зей. Химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим, то есть происходит последовательный упо­рядоченный поток вещества и энергии.

На Земле существует два основных механизма удержания, перераспреде­ления и накопления энергии:

Механизм, характеризующий среду обитания: испарение, конденсация, градиенты плотности в атмосфере и в океане, геохи­мические реакции, эрозия и др. (геохимический круговорот ве­ществ);

Механизм, характеризующий жизнедеятельность биообъек­тов: фотосинтез, дыхание и т.п.

Все типы экосистем регулируются теми же основными закона­ми, которые управляют и неживыми системами, например техни­ческими установками, машинами. Различие заключается лишь в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них энер­гии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится чи­нить, используя при этом внешнюю энергию.

Когда излучение поглощается каким-либо предметом, послед­ний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. Таким образом, «потребленная» энер­гия на самом деле не расходуется, она только переводится из со­стояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с ма­лой возможностью использования.

Если температура какого-либо тела выше температуры окру­жающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается. Такая система находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассмат­ривается как мера неупорядоченности системы. Энтропия показыва­ет, что тот или иной процесс может происходить в системе с опре­деленной вероятностью. При этом, если система стремится к рав­новесному состоянию, то энтропия увеличивается и стремится к максимуму.

Применяя положения термодинамики к процессу жизнедея­тельности, можно отметить, что живой организм извлекает энер­гию из пищи, и при этом использует упорядоченность ее химических связей. Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, а часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.

Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окружающую среду. Земля получает энергию от Солнца в виде излучения. Такое же количество энергии отдается вновь, но при более низкой температуре.

Согласно второму началу термодинамики, энергия любой сис­темы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможно­сти извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратив­шая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.

Методы термодинамики применимы только к макроскопиче­ским системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни вещест­вом, является изолированной, например камни, шлаки. Если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (тепло­обменники), а если и энергией, и веществами - открытой (био­объекты). При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:

Биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;

Процессы в живых системах в конечном счете имеют необра­тимый характер;

Живые системы далеки от равновесия;

Биологические системы гетерофазны и структурированы.

Рассматривая биосферу под потоком энергии понимают переход энергии по цепям питания от одного трофического уровня к другому, т.е. трофическая цепь – это энергетическая цепь. Все биосистемы открыты для обмена энергией. Все живые системы поддерживают свою жизнедеятельность благодаря:

1 -х, наличию даровой избыточной энергии (извне поступает даровая энергия солнца);

2 -х, благодаря способности эту энергию улавливать и концентрировать (только живые системы способны улавливать и концентрировать энергию);

3 - х, использовав, рассеивать ее в окружающей среде.

Рассмотрим путь поглощения солнечного света фотосинтезирующими организмами с продуцированием органического вещества.

Практически всё первичное органическое вещество на Земле образуется зёлёными растениями в процессе фотосинтеза. Этот процесс идёт с поглощением энергии, которая запасается в химических связях органического вещества. При этом солнечная кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы.

Любое количество органического вещества эквивалентно количеству энергии. Глюкоза (6CO 2 + 6H 2 0 + 2816 Дж, хлорофилл à C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ) - это органическая молекула с высокой потенциальной энергией. Около 2 % солнечной энергии превращается в потенциальную энергию молекул глюкозы. Глюкоза в растениях выполняет 2 функции:

1) - служит строительным материалом тела, т.е. из глюкозы образуются сложные органические молекулы (крахмал, целлюлоза, липиды, белки, нуклеиновые кислоты).

2) - источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растений, т.е. построение тканей, поглощение питательных элементов из почвы, дыхание.

Процесс расщепления органических молекул с выделением энергии называетсяклеточным дыханием .

На примере глюкозы процесс расщепления выглядит следующим образом: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 Þ 6СО 2 + 6H 2 О + Q

Т.е. молекула глюкозы в присутствии кислорода разрушается до СО 2 , Н 2 О с выделением энергии. Данный процесс идёт в каждой клетке и в целом противоположен фотосинтезу (травы - тратится 40-50 % запасенной энергии; деревья – тратится 70-80 % энергии, в основном на дыхание). Только часть глюкозы используется растением для своего роста, а другая часть вновь разрушается с выделением энергии, необходимой для протекания физиологических процессов.

Животные получают энергию потребляя пищу, т.е. иточник энергии - потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Животным свойственна активная выработка кинетической энергии (движение, бег, поддержание постоянной температуры тела, дыхание и т.д.). Значительная часть пищи (90 - 99 %) разрушается с высвобождением энергии, которая обеспечивает все функции организма и теряюется, рассеивается, в конце концов, в виде выделяемого телом тепла. Итак, энергия в экосистемах тратится на:

1) метаболизм (большей частью на поддержание метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание)

2) образование тканей и органов, запас питательного вещества (т.е. рост биомассы)

3) выделение не усваиваемых веществ (экскрементов)

4) рассеивание в виде тепла при химических реакциях и активной мышечной работе.

Как видим, биосфера, как и все типы экосистем, регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, а именно:

- законом сохранения энергии : энергия не может исчезать бесследно или возникать из ничего. Но энергия переходит из одной формы в другую;

- первым законом термодинамики : термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии;

Во всех экосистемах и биосфере в целом происходит превращение энергии из одной формы в другую, а именно солнечной энергии в потенциальную энергию, запасаемую растениями, а её - в другие виды по мере прохождения по пищевой цепи;

На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии пищи расходуется на жизненные функции, а часть теряется в виде тепла – рассеивается в окружающую среду. При переходе с одного трофического уровня на другой теряется большая часть энергии (около 90 %).

Поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100 %.

Энергия может быть использована только один раз , а пищевая цепь - это основной канал переноса энергии в экосистемах. Однако между живыми и неживыми системами имеется существенное различие. Советский ученый Э.С.Бауэр в 1935 г. выделил 3 основные особенности живых систем:

1) способность к самопроизвольному, без воздействия окружающей среды, изменению состояния;

2) противодействие внешним силам, приводящее к изменению первоначального состояния окружающей среды;

3) постоянная работа против уравновешивания с окружающей средой.

Первые 2 особенности встречаются и у других систем, а вот третья является отличительным признаком живых. Поэтому Бауэр назвал ее "всеобщим законом биологии ", который имеет ясный термодинамический смысл: как в неживых системах устойчиво их равновесное состояние, так в живых системах устойчиво их неравновесное состояние.

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.

Все, что происходит в природе, ведет к увеличению энтропии в той части мира, где это происходит.

С точки зрения термодинамической статистики энтропия характеризует вероятность возникновения того или иного состояния: маловероятное состояние – это состояние с низкой энтропией, вероятное состояние – состояние с высокой энтропией.

С точки зрения упорядоченности, максимальная энтропия – это максимальный беспорядок, т.е. хаос, а низкая энтропия характеризует упорядоченные системы. Поэтому, с одной стороны, живые системы непрерывно увеличивают свою энтропию, то есть производят положительную энтропию, и приближаются к опасному состоянию максимальной энтропии – энтропии смерти (максимальному беспорядку).С другой стороны, неравновесное состояние живых систем представляет собой чрезвычайно маловероятную структуру ® обладающую очень низкой энтропией. Для того, чтобы поддерживалось неравновесное состояние, биосистемам необходимо освободиться от производимой положительной энтропии и извлечь отрицательную энтропию (негоэнтропию) из окружающей среды (т.е. извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию, живые организмы находятся в неравновесном состоянии – состоянии с низкой S, состоянии жизни)

Поскольку чем меньше энтропия, тем больше порядок , тоизвлечение негоэнтропии есть "извлечение порядка", и таким образом повышение собственной упорядоченности системы.

Процесс образования порядка в системе из хаоса называется самоорганизацией . Он ведет к уменьшению энтропии. Для живых организмов способность к самоорганизации – характерная особенность.

Известно, что высшие животные питаются хорошо упорядоченными органическими соединениями. Использовав упорядоченность этих продуктов, животные возвращают в окружающую среду вещества в очень деградировавшей, неупорядоченной форме (т.е. отдают энтропию).

Эти вещества в неупорядоченной форме (с высокой энтропией) усваиваются растениями. Но для растений 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, самопроизвольный процесс, в котором энтропия уменьшается - за счет затрат даровой солнечной энергии.

Коэффициент перехода кинетической энергии света в потенциальную энергию связи органических соединений много меньше 100 %. Но энергия света достается даром! Поэтому нам все равно, с каким КПД ее будут расходовать растения, пусть он будет даже очень мал. Главное, растения и все "живое" обладают тайнами механизмов концентрирования и диссипирования энергии.

Таким образом, важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом является:

Способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть неуравновешенное состояние с низкой энтропией;

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.

Итак, биосфера и любые экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне.

В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии, с ее потерями, которое все время компенсируется поступлением энергии от Солнца. Таким образом, наша цивилизация - лишь одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии светового излучения.

Биосфера - целостная система, выполняющая определенную программу, стабилизирующая себя и окружающую сре­ду и гасящая внешние и внутренние искажающие воздействия. Такая система реагирует на воздействия, вызываемые человеком. До опреде­ленного порога она их гасит, а затем может потерять устойчивость и начать изменяться. Как только человечество на грани ХIХ и ХХ вв. стало использовать большее количество от общей энергетики биосферы - прекратилось действие компенсационного механизма: растительность прекратила давать прирост биомассы, пропорциональный увеличению концентрации СО 2 в атмосфере.

Момент выхода природных систем из стационарного состояния имеет особое значение. Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило одного процента) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода системы из стационарного состояния. Однако, по мнению Н.Ф. Реймерса, для глобальной энергетической системы (биосферы) этот процесс начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1 - 0,2 % от величины общепланетарных процессов. При этом происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.

Человеку необходимо помнить, что при всей мощи научно-технического про­гресса он остается частью биосферы, что, разрушив совре­менную материально-энергетическую структуру биосферы, он разру­шит и самого себя.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение биосферы. Какова ее структура?

2. Кто впервые ввел в науку термин «биосфера»?

3. Чем отличается биосфера от других оболочек планеты?

4. В чем отличие живого от неживого?

5. Что такое живое вещество?

6. Назовите функции живого вещества.

7. Каковы важнейшие аспекты учения В. И. Вернадского о биосфере?

8. Что такое ноосфера и почему возникло это понятие?

9. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволюции человеческого общества и природной среды?

10. Расскажите о гипотезе ноосферы В.И. Вернадского.

11. Что составляет основу биологического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле?

12. Где взаимодействуют большой и малые круговороты веществе?

13. Укажите, при каких процессах происходит поглощение кислорода из атмосферы.

14. За какое время происходит обновление запаса кислорода в атмосфере?

15. За какой период времени претерпевает круговорот весь активный неорганический фонд углерода?

16. Назовите основной источник пополнения запаса кислорода в атмосфере.

17. Перечислите основные этапы круговорота азота. Через какие каналы атмосферный азот попадает в экосистемы?

18. В какой форме могут усваивать азот растения?

19. Где сконцентрированы запасы фосфора?

20. Какие последствия для сельского хозяйства будет иметь исчерпание запасов фосфора?

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М.: Наука, 2001. 376 с. (Серия "Библиотека трудов академика В.И. Вернадского").

2. Стадницкий Г.В. Экология. Учебник для вузов. - СПб: Химиздат, 2007. – 288 с.: ил.

3. Еремченко О.З. Учение о биосфере. Учебное пособие для вузов - 2 изд. - М: Академия, 2006. – 240 с.

4. Еремченко, О.З. Учение о биосфере. Организованность биосферы и биогеохимические циклы. Учебное пособие - Пермь: Перм. гос. ун-т., - 2010. - 104 с.

5. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология: Учеб. для вузов - 3-е изд. - М.: Дрофа, 2004. - 624 с: ил.

6. Павлов А.Н. Экология: рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие - М.: Высшая школа, 2005. - 343 с.: ил.

7. Миркин Б. М., Наумова Л. Г. Краткий курс общей экологии. Часть II: Экология экосистем и биосферы: Учебник.- Уфа: Изд-во БГПУ, 2011. - 180 с.

8. Электронный ресурс – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki.

ГЛАВА 5. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ БИОСФЕРЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

Потоки энергии и вещества в биосфере неразрывно связаны с потоками информации. Ранее мы рассмотрели, что способность восприни­мать, накапливать и использовать информацию является одной из главных особенностей живого вещества. Эта способность не­разрывно связана с построением упорядоченных структур (организма, популяции, биоценоза и т.д.).

Благодаря биологической эволюции живые организмы выра­ботали множество механизмов адаптации ,то есть приспособле­ния к условиям жизни. Более того, само строение и физиология организмов есть результат адаптации. Первое, чему должны были научиться живые организмы, - это различать в окружаю­щей среде молекулы и частицы, пригодные в пищу, от инертных или опасных. Так возникли хеморецепторы,сохраненные у рас­тений и высших животных в виде вкуса и обоняния. Это уже ин­формационная связь организма с внешним миром. Как только образовалась живая клетка и в ней специализированные органеллы, потребовался обмен информацией между ними. Перво­начально обмен веществ и энергией внутри клетки являлся од­новременно и обменом информационными сигналами. Однако нуклеиновые кислоты (ДНК и информационная РНК) стали вы­полнять преимущественно информационные функции. По мере усложнения органических структур появились гормоны и гормоноподобные вещества с их чисто информационно-командными функциями. Специализированные железы внутренней секреции, генерирующие эти вещества, образовали эндокринную систему управления организмом.

С увеличением размеров животные уже не могли обходиться только химическими информационными связями. Слишком мед­ленными оказываются процессы передачи информации. Так поя­вилась нервная система, использующая быстрые электрические сигналы, и новые органы чувств (рецепторы)- зрение и слух, да­ющие информацию об окружающей среде на больших расстояни­ях и практически мгновенно. Увеличение количества и качест­венные изменения поступающей извне информации, а также не­обходимость согласованных движений всех органов тела привели к образованию центральной нервной системы. При этом железы внутренней секреции, занимающие наивысшее положение в эн­докринной системе - гипоталамус и гипофиз,расположились в головном мозге (скорее мозг возник вокруг них) и обеспечивают согласование действий нервной и эндокринной систем.

С развитием нервной системы у животных появилась спо­собность обмена зрительными и звуковыми сигналами, а следом за тем и способность к обучению потомства. Эта последняя спо­собность неразрывно связана с появлением головного мозга и свободной, незаполненной изначально памяти. Накопленная живым организмом информация разделилась на врождённую, переданную химическим путём от предков, и приоб­ретённую, полученную сигнальным путём за счёт обучения и собственного опыта.

Важнейшим свойством живого вещества, принципиально от­личающим его от косной материи, является передача наследст­венной информации из поколения в поколение. Эта связь осу­ществляется с помощью генетического кода, носителями кото­рого служат нуклеиновые кислоты.

Принципиальным адаптационным шагом в эволюции ока­зался переход от вегетативного к половому размножению. Дело в том, что под воздействием внешних факторов, прежде всего ра­диационного фона, химических веществ и вирусной инфекции, в спиралях дезоксирибонуклеиновой кислоты возникают нарушения или мутации,то есть наследственная информация может портиться. При вегетативном, бесполом размножении у популя­ции нет иного способа исправить эти нарушения кроме гибели носителей вредных мутаций. Половое размножение даёт воз­можность корректировать ошибки, возникшие в генетическом коде, так как вероятность одинаковых нарушений у обоих роди­телей мала. Именно поэтому опасны браки между кровными родственниками, когда вероятность одинаковых хромосомных дефектов у обоих родителей резко возрастает, и, напротив, по­томство отдалённых генетических линий бывает особенно силь­ным и жизнеспособным.

При вегетативном размножении говорить об индивидуаль­ном биологическом возрасте особи в принципе бессмысленно. Понятие возраста особи возникает вместе с половым размноже­нием, причём механизм запрограммированного старения поя­вился, скорее всего, на поздних этапах эволюции. Такие древ­ние виды, как крокодилы, черепахи или акулы, ещё этого меха­низма, по-видимому, не имеют. Они потенциально бессмертны и погибают от болезней, врагов или в силу изменения условий обитания. Запрограммированное старение и смерть от старо­сти - пример адаптационного признака, полезного для вида в целом, но не для отдельного организма. Они обеспечивают сме­ну поколений и отбор генофонда в популяции, позволяющие ей эффективно адаптироваться к постепенным изменениям среды обитания.

Динамика биосферы

Биосфере, как и любой другой природной системе, свойственна динамика . Этот термин означает систему закономерных изменений состоя­ния среды обитания живых организмов и соответственно состояния самих этих организмов, а также непрерывных нарушений последнего.

Как известно, к границам биосферы подходят различные виды космических, и прежде всего солнечных, потоков вещества и энер­гии (видимый свет, тепловые инфракрасные лучи, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также коротковолновое и рентгено­вское излучение); большая их часть задерживается в высоких слоях атмосферы и на границе ее с космическим пространством. При этом первопричиной динамики биосферы является поток поступающей на Землю солнечной энергии. Проходя через атмосферу и попутно взаи­модействуя с ней, он определяет совокупность климатических про­цессов. Конкретные состояния последних в каждом месте в каждый момент времени называют погодой .

Именно постоянные изменения погодных условий служат глав­ной причиной разнообразных колебательных изменений в природе биосферы. Как известно, атмосфера нагревается неравномерно, что в свою очередь заставляет воздух постоянно перемешиваться; при этом неоднородность земной поверхности весьма осложняет указанное пе­ремешивание. При этом необходимо учитывать и воздействие мате­риков и океанов. Так, материки усиливают температурные контрас­ты: зимой вблизи полюсов они сильнее охлаждаются, а летом в тро­пиках сильнее прогреваются. Напротив, океаны эти контрасты ослабляют.

Воздушные потоки в жизни биосферы играют большую роль. Благодаря им доставляются сотни миллиардов тонн воды из океанов, которые далее увлажняют сушу, они же приносят почти весь необхо­димый для жизненных процессов йод. Однако в результате воздей­ствия многих факторов траектории воздушных потоков периодически отклоняются от средних положений. Из-за этого в различных местах земли наступают заморозки или оттепели, засухи или дожди, сти­хийные бедствия или, напротив, периоды устойчивости природных факторов.

Обязателен учет роли геологических факторов, которые прелом­ляют и конкретизируют влияние изменений погодных процессов на природу. В частности, действие заморозков ослабевает в положи­тельных и усиливается в отрицательных формах рельефа, засуха силь­нее проявляется не только на южных, но и на глинистых склонах. Наконец, при прогнозировании последствий изменения погоды нельзя не учитывать роль почвенного покрова и, прежде всего его замедлен­ную реакцию на изменения погодных условий. Она в свою очередь тормозит реакцию растительности на изменения последних, что оп­ределенным образом стабилизирует состояние всего живого покрова. Указанное явление торможения проявляется, в частности, в том, что атмосферная засуха может быть весьма сильной, но в почве, тем не менее, имеются запасы влаги, которые остались в ней от преды­дущих лет. Поэтому дефицит влаги проявляется не так остро.

Вышеизложенное следует увязывать с тем, что скорость реакции различных видов живых существ на изменение погоды (при наличии взаимосвязи между ними) обусловливает непрямолинейность влия­ния погодных условий на экологические системы. Поэтому биоти­ческие факторы служат одновременно источником как автоколеба­ний природных сообществ, так и их стабилизации.

Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические рит­мы. Очевидно, что вся­кое количественное или качественное изменение в притоке космичес­кой энергии сказывается на состоянии исключительно чувствительных передающих систем (атмосферы, гидросферы и почвы), а затем и на существующей за счет энергии Космоса биосфере. В частности, была установлена связь колебаний численности видов живых существ, урожаев, динамики заболеваемости населения с солнечными процес­сами. Однако следует иметь в виду, что космические ритмы очень разнообразны. Так, наряду с хорошо изученными 11,5-летними солнечны­ми циклами существует множество других - от одномесячных лунных до длящихся миллиарды лет галактических ритмов. Налагаясь друг на друга, эти ритмы оказывают сложные интегральные воздействия на жи­вые организмы, характер которых до сих пор до конца не ясен.

Ныне, на динамику биосферы огромное влияние оказывает челове­ческая деятельность. При этом она в отличие от естественных экологических факторов, обусловливает не колебательные, а преимущественно поступательные изменения приро­ды. Так, развитие водного транспорта влечет за собой создание кана­лов, соединяющих различные речные системы, и, соответственно, раз­витие обменов элементами флоры и фауны между водными бассейна­ми. Что касается колебательных явлений в природе, связанных с человеческой деятельностью, то они весьма редки. Это либо ритми­ческие, часто многолетние процессы смены культурных растений в се­вообороте, либо аномальные явления.

Устойчивость биосферы

Что же позволяет жизни во всех ее формах и проявлениях быть достаточно устойчивой во времени и пространстве? В попытке ответить на этот весьма сложный вопрос следует учесть, что жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, нежели земное. Результаты исследований последних лет показывают, что строение, эволюция биосферы, как и устойчивость последней, предопределены начальными условиями, которые существовали до современного состояния Вселенной, и самим происхождением Кос­моса.

Характеризуясь, огромной энер­гией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следова­тельно, уничтожить жизнь на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу , которая защищает живые организмы от солнеч­ного ветра. Однако некоторые частицы солнечной плазмы с высокой энергией могут проникать сквозь радиационные пояса и даже дости­гать биосферы.

Итак, магнитное поле есть важнейший защитник жизни на Зем­ле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факто­ры стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.

Важнейшим фактором возникновения и развития биосферы стало создание автотрофными организмами кис­лородной среды на Земли. С появлением такого химического активного элемента, как кислород в свободном, т.е. молекулярном состоянии, существенно изменились процессы минералообразования в поверх­ностных слоях геологической оболочки планеты, а следовательно, резко изменились и все химические факторы существования живого вещества. С другой стороны, наполнение атмосферы кислородом способствовало появлению в ней озона и формированию озонового слоя .

Образование озона в стратосфере связано с реакцией фотодиссоциа­ции поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием уль­трафиолетового излучения Солнца. Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на вы­сотах 15-25 км (верхняя граница его распространения - до 45 км), где он образует озоновый слой или озоносферу. Основная масса озо­на образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмос­ферными движениями к полюсам непосредственно. У поверхности Земли озон появляется только во время грозовых разрядов.

Расчеты показали, что если все содержащиеся в атмосфере моле­кулы озона равномерно распределить над поверхностью Земли, то толщина образовавшейся оболочки составит лишь около 3 мм. Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имел и продолжает иметь неоценимое эколого-биологическое значе­ние, так как слой озона практически полностью поглощает поток ко­ротковолновых УФ-лучей Солнца с длиной волны 200-280 нм и около 90% ультрафиолетового излучения с длиной волны 280-320 нм. Та­ким образом, озоновый слой является охранным щитом от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете. При этом наблюдения и расчеты ученых выявили, что если общее содержание озона сократится всего лишь на 10-20%, то на каж­дый процент такого сокращения придется приблизительно 2%-ное уве­личение потока в вышеуказанной полосе УФ-излучения.

Стабильность биосферы, помимо вышесказанного, в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов , отдельные груп­пы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии, на теснейшем переплете­нии и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласо­ванности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных экологических ниш. В биосфере действуют сложные системы об­ратных связей и зависимостей.

Итак, биосфера теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящиеся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, яв­ляющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между моло­том и наковальней (снаружи - враждебный Космос, внутри Земли - огромное раскаленное ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод, что стабиль­ное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фик­сации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на пла­нете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни». Это закладывает основу для длитель­ного ее развития.

Здесь уместно привести принцип Ле Шателье-Брауна :при внеш­нем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния ус­тойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными по­следствиями. На это, в частности, указывает правило одного процен­та :изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вул­канов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энер­гии солнечного излучения попадающего на поверхность Земли. Пе­реход энергетики процесса за это значение обычно приводит к рез­ким аномалиям - климатическим отклонениям, переменам в харак­тере растительности, крупным лесным и степным пожарам. Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хо­зяйственной деятельности глобального масштаба.

Ноосфера

Венцом учения В.И. Вернадского о биосфере стало учение о ноосфере. Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) - выс­шая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человече­ская деятельность становится главным, определяющим фак­тором развития».

Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непре­ходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого ве­щества в планетарных процессах, в создании и развитии био­сферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человекакак мощную геологическую силу . Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохи­мических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» Космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется чело­веком благодаря его труду. Он способен перестроить ее со­гласно своим представлениям и потребностям, изменить фак­тически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свобод­ного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окру­жающей человека среде». Иными словами, ноосфера - окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии кон­тролируются обществом.

Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки воз­никновения человеческого разума имели место еще во време­на животных, предшественников Homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного перио­да. Но как новая геологическая сила смог проявить себя толь­ко человек.

Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздей­ствий других форм живого вещества. В. И. Вернадский пи­сал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, ко­торые были нужны им для роста, размножения, питания, ды­хания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нуж­ные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».

Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ря­ду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возник­нет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым фор­мам действия живого вещества на обмен атомов живого ве­щества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, ме­няющего коренным образом и ее облик, и ее строение, - ноо­сферы».

Заключение

Анализируя представления В. И. Вернадского о ноосфере, надо отметить, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноо­сферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфе­ра - естественное и необходимое следствие человеческих уси­лий. Это преобразованная людьми биосфера соответственно по­знанным и практически освоенным законам ее строения и раз­вития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с по­зиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера - это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производ­ство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек». Ста­новление ноосферы, по В. И. Вернадскому, - процесс длитель­ный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодей­ствии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпо­хи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и науч­ной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы био­сферы Земли, в Космос и глубины литосферы. По мнению многих ученых - ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Био­сфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу... На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, ина­че у него не будет будущего», - утверждал В. И. Вернадский.

Литература

Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учебное пособие.- СПб.: ДЕАН. 2000. 224 с.

Воронцов А.И. и др. Охрана природы: Учебники и учебные пособия для техникумов.- М.: Агропромиздат, 1989.- 303 с.

Гальперин М.В. Экологические основы природопользования: Учебник.- М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. - 256 с.

Коробкин В. И., Передельский Л.В. Экология. изд. 6-е, доп. и переработ.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. - 576 с.

Радкевич В.А. Экология: Учебник. - Минск: Высшая школа, 1997.

Реймерс Н.Ф. Природопользование. - М.: Мысль, 1990.

Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). - М.: «Россия молодая», 1994.

Экология: Учебное пособие / Под ред. проф. В.В. Денисова. Серия «Учебный курс». - Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2002. - 640 с.

Что такое Поток энергии в биосфере?? и получил лучший ответ

Ответ от Ђаня Сарбаш(Остривная)[гуру]
ПОТОК ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ – процессы передачи и использования энергии в различных компонентах биосферы (см.) . Общее число живых организмов в каждом биоценозе, скорость их развития и воспроизводства зависят в конечном счете от количества энергии, поступающей в экосистему, от скорости ее движения через нее и, наконец, от интенсивности циркуляции веществ в ней. В отличие от циклического движения веществ, превращения энергии идут в одном направлении. Единственный источник энергии для биосферы - солнечный свет (лишь небольшие локальные экосистемы используют энергию химических реакций) . Часть солнечной энергии (0,1-1,6% от общего количества, достигающего поверхности Земли) преобразуется сообществами организмов и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее 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) . Эффективность преобразования энергии в экосистемах отражается в пирамиде энергии, которая строится подсчетом количества энергии (в килокалориях - ккал) , аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне. Только небольшая часть всей этой энергии остается в организмах и сохраняется в биомассе, остальная часть используется для удовлетворения метаболических потребностей живых существ (см. экологическая эффективность сообществ) .
Поток энергии в экосистемах часто изображается в виде блоковой функциональной модели экосистемы либо упрощенной диаграммы передачи энергии в пищевой цепи (см.) . В первом случае (рис. 1) каждому блоку модели придана определенная форма, которая указывает на его общую функцию: кругом обозначен источник энергии, фигурами U-образной формы с крышечкой - хранилища энергии, U-образной фигурой - автотрофы (зеленые растения, способные переводить солнечную энергию в органические вещества) , а шестиугольниками - гетеротрофы (организмы, нуждающиеся в готовой пище) . Вторая диаграмма (рис. 2) представляет собой совокупность прямоугольников, площадь которых пропорциональна количеству энергии, сосредоточенной в биомассе каждого трофического уровня (см.) . Фигуры соединены линиями, ширина которых пропорциональна величине передаваемой вдоль цепи энергии. Принципы организации пищевых цепей отражают действие двух законов термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, приток энергии уравновешивается ее оттоком, и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме, недоступной для использования тепловой энергии (при дыхании) , как того требует второй закон. Подобные диаграммы показывают, что общее количество энергии, поступающее за единицу времени в экосистему, либо деградирует, либо экспортируется, либо накапливается. Сумма энергии, потерянной при дыхании, накопленной в экосистеме и ушедшей, равна энергии, зафиксированной в процессе фотосинтеза. Вместо одноканальной схемы передачи энергии в пищевой цепи чаще используется Y-образная, или двухканальная диаграмма (рис. 3), когда поток энергии от продуцентов разделяется на детритную и пастбищную цепи. Она более реалистична, так как: 1) она соответствует основной ярусной структуре экосистемы, 2) прямое потребление живых растений и использование мертвого органического вещества обычно разделены в пространстве и времени, 3) макроконсументы (фаготрофные животные) и микроконсументы (сапрофитные бактерии и грибы) сильно различаются отношениями интенсивности обмена к размерам, и для их изучения требуются разные методы. Величины тех частей энергии чистой продукции, которые текут по двум путям, различны в экосистемах разного типа и часто варьируют по сезонам или по годам в одной и той же экосистеме. Во всех экосистемах пастбищная и детритная пищевые цепи взаимосвязаны, так что в ответ на энергетические воз

Свет как экологический факторЭкологический фактор
– это условие среды обитания, оказывающее
воздействие на организм.
С точки зрения экологии важны:
Качество света – длина волны или цвет
единицы измерения – нм или мкм;
Интенсивность – действующая энергия
единицы измерения – ккал или Дж;
Продолжительность воздействия
единицы измерения – часы, дни … .

Качество света

Лучи
Длина, нм Значение в жизни организмов
Инфракрасные 780-4000
Видимый свет
390-780
С участием света идут
важнейшие процессы
60-390
Зависит от длины волны
380-390
Ультра
фиолетовые
Косвенная
326
250-300
стимулируют рост и
размножение клеток
у человека образуется
защитный пигмент
способствуют образованию
витамина Д у животных
короткие вызывают мутацию клеток
(их задерживает озоновый слой)
< 250

Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света

ФАР (фотосинтетическая активная радиация)

близкие ультрафиолетовые (380-390 нм)
ФАР (фотосинтетическая активная радиация)
Меньше поглощаются
желто-зеленые
500-580 нм
сине-фиолетовые
(400-500 нм)
оранжево-красные
(650-750 нм)
нм
Это
лучи активно
влияющие
на растительные
ускоряя
или
Наиболее
активными
являются
следующиеорганизмы,
лучи видимого
спектра
замедляя фотосинтез

Интенсивность или сила света

Интенсивность или сила света измеряются
количеством джоулей или ккал,
приходящихся на единицу горизонтальной поверхности
за единицу времени
Например - Дж/ см2/мин.
Сила
света,
Зависит
от
отполюсов
рельефа
кместности
экватору
увеличивается
На южных склонах интенсивность света всегда больше,
чем на северных

Буготакские сопки – характеризуются резким отличием растительности их северных и южных склонов

Продолжительность воздействия света
или
Фотопериод
длина
дня,
продолжительность светового периода
суток
Вызывает циклические изменения в
экосистемах

Законы термодинамики экосистем

1 закон термодинамики Закон сохранения энергии

«Энергия ни откуда не появляется
и никуда не исчезает»
т.е. Энергия может переходить из одной
формы в другую,
но она не исчезает и не создается заново

Энтропия (от греч. entropia поворот, превращение)
функция состояния термодинамической системы,
определяющая меру необратимого рассеивания
энергии.
Продуценты
Консументы
травоядные
хищники
Редуценты
Тепловая энергия
паразиты

Второй закон термодинамики

процессы, связанные с превращением энергии,
Закон энтропии –
могут протекать самопроизвольно лишь при
в замкнутой экосистеме энтропия будет
условии,
что
энергия
переходит из концентрированной
только
возрастать
формы в рассеянную

Распределение солнечной энергии в биосфере
6% отражается от
атмосферы
20% рассеивается и
отражается от
облаков
19% поглощаются
атмосферой и
облаками
4% отражаются от
поверхности земли
51% поглощаются
землей
Не более 5% фиксируется
продуцентами

Фотосинтез

синтез
клетками
высших
растений,
водорослей и некоторыми бактериями
(продуцентами) органических веществ при
участии энергии света
вода + углекислый газ + свет
углеводы + кислород

Фотосинтез

Это единственный процесс в
биосфере,
ведущий к увеличению свободной
энергии
и обеспечивающий существование
как растений, так и всех
гетеротрофных организмов,
в том числе и человека

КПД фотосинтеза

КПД фотосинтеза в 5% считается очень высоким
В целом по земному шару усвоение растениями
солнечной энергии значительно ниже
из-за ограничения фотосинтетической активности растений
множеством неблагоприятных факторов(недостаток тепла и
влаги, неблагоприятные свойства почвы и т. д.)
Средний коэффициент использования энергии
ФАР для территории России равен 0,8%,
на европейской части страны составляет 1,0-
1,2%,
а в восточных районах, где условия увлажнения
менее благоприятны, не превышает 0,4-0,8%

Фотосинтез
6СО2 + 6Н2О +е
=С6Н12О6 +6О2
Дыхание
С6Н12О6 +6О6
=6СО2+6Н2О+е (АТФ)
АТФ расходуется при
сокращении мышц и в других
биологических процессах,
выделяя тепло в ОС

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИИ (Р. Линдемана) или правило 10 %

с одного трофического уровня экологической пирамиды
переходит на другой ее уровень в среднем
не более 10%
энергии
Тепловая
энергия
1000 000 ккал
1000
ккал
100
ккал
Продуценты
10 ккал
1 ккал
Консументы
травоядные
Редуценты
хищники
паразиты

ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ

энергия,
получаемая
сообществом
(экосистемой)
и
усваиваемая
продуцентами,
рассеивается или вместе с их биомассой
необратимо передается консументам,
а затем редуцентам с падением потока
на каждом из трофических уровней в
результате процессов, сопровождающих
дыхание.

Согласно 1-го закона термодинамики
энергия в экосистеме
не может создаваться заново и исчезать,
а только переходит из одной формы в другую
Е света
Е химических связей
органических соединений
тепловая Е

Второй закон термодинамики в применении к экосистемам

Не может быть ни одного процесса
связанного с превращением энергии без
потери некоторой её части
В экосистемах часть энергии
превращается в недоступную тепловую и
следовательно теряется
Поэтому жизнь на Земле не возможна
без притока солнечной энергии

Экологические пирамиды

- графические изображения соотношения
между продуцентами и консументами всех
уровней (травоядных, хищников, видов,
питающихся другими хищниками) в экосистеме.
Эффект пирамид в виде графических моделей
разработан в 1927 году Ч. Элтоном
Различают:
пирамиды энергии
пирамиды биомасс
пирамиды чисел
КI
П

Пирамида энергии

- это графическая модель величины потока энергии
и (или) продуктивности через последовательные
трофические уровни
Пирамида энергии всегда сужается кверху,
согласно второму закону термодинамики

Пирамида биомасс

графическая модель
последовательного расположения биомасс
популяций естественных экосистем,

уровень, т. е. биомасса продуцентов
При этом биомасса продуцентов, как
правило, выше, чем консументов
Но в некоторых экосистемах
пирамида биомасс может быть
обращенной, т. е. биомасса
продуцентов ниже, чем консументов.

Пирамида чисел

графическая модель распределения численности
популяций в трофических цепях,
основанием которой всегда служит первый
уровень, т. е. численность продуцентов,
от которого по направлению к уровням
консументов
(1,2,3
и
т.
д.
порядка)
численность популяций уменьшается

Пирамида чисел

Между автотрофами и гетеротрофами в экосистемах
существуют сложные пищевые взаимодействия.
Одни организмы поедают другие,
и таким образом осуществляют перенос веществ и энергии
- основу функционирования экосистемы.
Неорганические
вещества
автотрофы
Органические
вещества
гетеротрофы
Органические
вещества
Процессы в экосистеме

ПИЩЕВАЯ ЦЕПЬ

Аналоги:
цепь питания
трофическая цепь
- ряд организмов, в котором каждое предыдущее
звено служит пищей для последующего.
Организмы связаны друг с другом отношениями:
пища - потребитель

ТРОФИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

совокупность организмов, объединяемых типом
питания.
4
т.у.
3
т.у.
вторичные хищники
(консументы III порядка)
Хищники, питающиеся растительноядными
животными
2 т.у.
(консументы II порядка)
Растительноядные животные
(консументы I порядка)
1 т.у.
Автотрофные организмы
(ПРОДУЦЕНТЫ)

Пищевые цепи, которые начинаются с растений,
идут через растительноядные животные к другим
потребителям,
называют ПАСТБИЩНЫМИ или цепями выедания

– ДЕТРИТНЫЕ, или цепи разложения
–пищевая цепь, в которой органическое вещество
мертвых растений, животных, грибов или
бактерий
потребляется детритофагами, могущими стать
добычей хищников.

Как правило, пищевые
цепи в экосистеме
тесно переплетаются.
Совокупность
пищевых связей в
экосистеме
образует
ПИЩЕВЫЕ СЕТИ

Плотность сетей определяет устойчивость экосистемы

Продуктивность экосистем

Скорость
фиксации
солнечной
энергии
продуцентами
определяет
продуктивность
сообществ
т.е. продуктивность тесно связана с потоком
энергии, проходящим через ту или иную
экосистему

Человек научился получать энергию для своих
производственных и бытовых нужд самыми
различными способами,
но энергию для собственного питания он
может получать только через фотосинтез

Продуктивность экосистемы
- способность живых организмов и в целом
экосистем производить органическое вещество
валовая
ПЕРВИЧНАЯ
продуктивность
чистая
ВТОРИЧНАЯ
продуктивность

Первичная продуктивность экосистемы
– это органическое вещество, создаваемое
продуцентами в процессе фотосинтеза или
хемосинтеза.
Единицы измерения
в единицах сырой или
сухой массы растений
(г,кг,т)
в энергетических
единицах
(ккал или Дж)

Валовая первичная продуктивность
(валовой фотосинтез)
общее количество
продуктов фотосинтеза,
производимое экосистемой
на единицу площади за
единицу времени,
г/м2/год

Чистая первичная продуктивность

продуктивность
экосистемы
за вычетом расхода
энергии растениями на
дыхание,
г/м2/год
В тропических лесах и зрелых лесах умеренной полосы часть
производимой
продукции
идет
на
поддержание
жизнедеятельности самих растений (так называемые затраты
на дыхание) составляет 40-70% валовой продукции.
Около 40% составляют затраты на дыхание у большинства
сельскохозяйственных культур.

Вторичная продуктивность

биомасса, а также энергия и биогенные
летучие вещества,
производимые всеми консументами
на единицу площади за единицу времени,
г/м2/год

Турбинная модель продуктивности биосферы

Низкий уровень продук-ти
– 0,1 …0,5 г/м2 в сутки
характерна для зоны
пустынь и арктического
пояса
Средний уровень продук-ти
– 0,5 …3,0 г/м2 в сутки
характерен для тундры,
лугов, полей и некоторых
лесов умеренной зоны
Высокий уровень продук-ти
– более 3,0 г/м2 в сутки
характерен для
тропических лесов,
для пашни,
морских мелководий

Первичная биологическая продуктивность различных типов экосистем (Реймерс, 1990)

Чистая первичная продуктивность, г/м кв. за год
Рифы
Влажные тропические леса
Болота
Эстуарии
Вечнозеленые леса умеренного пояса
Листопадные леса умеренного пояса
Саванна
Тайга
Культивируемые земли
Луговая степь
Континентальный шельф
Озера
Тундра
Открытый океан
Пустыни
Ледники, скалы
0
500
1000
1500
2000
2500

Эстуарий

(от лат. aestuarium - затопляемое устье
реки)
- однорукавное, воронкообразное устье
реки, расширяющееся в сторону моря.

Продуктивность океана

В настоящее время, и во все прошлые геологические времена жизнь в океане
была сосредоточена главным образом у морских побережий.
Об этом со всей определённостью свидетельствуют сохранившиеся на
континентах биогенные барьерные рифы (например вдоль Карпат – остатки
миоценового моря)

Основными продуцентами в океане
являются одноклеточные водоросли,
отличающиеся высокой скоростью
оборота генераций.
Поэтому их годовая продукция может
в десятки и даже сотни раз
превышать запас биомассы на
данный момент времени.
Вся чистая первичная продукция так быстро вовлекается в
цепи питания, то есть поедается, что накопление биомассы
водорослей весьма мало вероятно.
Однако из-за высоких темпов размножения небольшой их
запас вполне достаточен для поддержания скорости
воссоздания органического вещества.
Поэтому для океана правило
пирамиды биомасс имеет перевернутый вид.

На высших трофических уровнях преобладает тенденция к
накоплению биомассы, поскольку длительность жизни
крупных хищников (например, кита-касатки) велика,
скорость оборота этих генераций (поколений), наоборот,
мала, и в их телах задерживается значительная часть
вещества, поступающего по цепям питания.

Поток энергии в биосфере. Живая оболочка планеты непрерывно поглощает не только энергию Солнца, но и идущую из недр Земли; энергия трансформируется и передается от одних организмов к другим и излучается в окружающую среду. Следует четко представлять себе, что является источниками энергии в биосфере, куда текут энергетические потоки и какова их роль в создании биомассы.

Уже отмечалось, что единственным первичным источником внешней энергии на Земле является световое и тепловое излучение Солнцаj (см. гл. 2). Ежегодно на земную поверхность падает около 21 1023 кДж, из этой величины на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы, с содержащейся в них растительностью, приходится только около 40%. С учетом потери энергии радиации вследствие отражения и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой ежегодно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 20 1022 кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энергетические затраты составляют около 30-40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2 1018 кДж солнечной энергии.

Создание и существование биомассы неразрывно связаны с поступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и определяющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в биосфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. В процессе фотосинтеза растения используют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (С02 и Н2О) в более сложные органические соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

Органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят в процессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соединениях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения, разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осуществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и растения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические составные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Укажем, что содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а постепенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова возвращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому биосфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее в течение многих миллиардов лет постоянный поток энергии через биосферу. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько меньше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процента) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию. Ее оказалось достаточно для того, чтобы однажды на планете появилась жизнь, возникла биосфера, чтобы и ныне поддерживать все грандиозные процессы развития планеты.

Продуктивность биосферы. Современная биомасса Земли составляет примерно в 1,841 1012 т (в пересчете на сухое вещество). При этом на биомассу суши приходится около 1,837 1012 т, Мирового океана - 3,9 109 т. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза, так как использование лучистой энергии Солнца на площади океана равно 0,04%, на суше - 0,1%. Зеленые растения в биомассе суши составляют 99%, животные и микроорганизмы - 1%. Биомасса на суше распределена неравномерно и возрастает от полюсов к экватору, так же возрастает видовое разнообразие.

Вклад разных континентов в обшую первичную продукцию суши примерно следующий (Н.М. Чернова и др., 1995 г.): Европа - 6, Азия - 28, Африка - 22, Северная Америка - 13, Южная Америка - 26, Австралия с островами Океании - 5%. Если же сравнить продуктивность растений в расчете на 1 га, то она составляет (в процентах от средней по всем континентам) в Европе - 89, в Азии - 103, в Африке - 108, в Северной Америке - 86, в Южной Америке - 220, в Австралии - 90. При этом продуктивность различных экологических систем различна, она зависит от ряда климатических факторов, в первую очередь, от обеспеченности теплом и влагой. Наиболее продуктивны экосистемы тропических лесов, затем следуют обрабатываемые земли, степи и луга, пустыни, полярные зоны.

Укажем, что биомасса Мирового океана почти в 1000 раз меньше, чем суши, хотя его поверхность занимает 72,2% всей поверхности Земли. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с чистой продукцией на суше. Так, в океанах ежегодно образуется 5,51 1010 т растительной массы, что составляет примерно третью часть обшей биомассы продукции планеты.

Рост и размножение организмов, происходящие в биосфере, обеспечивают биогенную миграцию атомов, которая обусловила в процессе эволюции создание современной природной системы. За сотни миллионов лет растения поглотили огромное количество диоксида углерода и одновременно обогатили атмосферу кислородом. Живые организмы глубоко воздействуют на природные свойства биосферы и всей планеты. Скелеты беспозвоночных образовали такие осадочные породы, как известняк и мел; каменный уголь и нефть образовались из растительных остатков. Биогенное происхождение имеет и почва, которая представляет собой продукт жизнедеятельности микроорганизмов, растений и животных в их взаимодействии с неорганическими компонентами природы. Важно подчеркнуть, что возникновение в процессе эволюции более сложно устроенных, но менее зависимых от изменений среды организмов, а также развитие относительно устойчивых экосистем привело к увеличению скорости движения энергии и веществ в сформировавшихся биогеоценозах.

Приведем данные, которые ярко свидетельствуют о «напоре жизни». Суммарная масса живого вещества, которое было на Земле, хотя бы в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры. Действительно, биомасса Земли составляет 1,84 1012 т, т.е. около 0,00001% земной коры (2 1019 т), ежегодная продукция живого вещества близка к 1,7 1011 т. Полагая, что последний миллиард лет эта продукция была близка к современной, можно рассчитать ее суммарное количество: 1,710 109 = 1,7 1020 т, т.е. почти на порядок больше массы земной коры. Согласно Н.М. Черновой, если бы можно было собрать всю биомассу, произведенную на Земле за последние 600 млн лет, то она покрыла бы Землю слоем в сотни километров.

По мнению В.И. Вернадского, вышеуказанная «пленка жизни» длительное время является главной геологической силой, придающей современный облик трем оболочкам Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере. Развитие и характер этих оболочек определяется уже не астрономическими, а биогенными причинами. Исключение составляют лишь проявления вулканической деятельности, которые порождены глубинными геофизическими слоями Земли.