Электронная онлайн библиотека

 
 Основы экологии

2.3. 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 в 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 туч 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 образования облаков (23%), на перемещение воздушных масс - образования ветра (около 1%). И только 0,023% солнечной энергии, попадающей на Землю, улавливается продуцентами - высшими растениями, водорослями и фототрофними 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 ее счет живое вещество выполняет работу - концентрирует, трансформирует, аккумулирует и перераспределяет химические элементы в земной коре, роздрібнює 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.
Следовательно, в процессе работы, которую осуществляет биосфера, вловлена солнечная энергия трансформируется, то есть идет на выполнение так называемой полезной работы, и рассеивается. Эти два процессы подчиняются двум фундаментальным естественным законам - первому и второму законам термодинамики.
Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии. Это означает, что энергия не может быть ни рождена, 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 консументів разных уровней, и т. д. Современное человеческое общество также превращает огромные количества одной энергии в 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 во время перехода 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 осуществлять работу. Но за любой трансформации энергии лишь часть ее расходуется на выполнение полезной работы. Остальные же бесповоротно рассеивается в виде тепла, то есть 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 самого низкого качества является энергия неустроенного броуновского движения, то есть теплова. ее нельзя использовать для выполнения полезной работы. Количество энергии самого низкого качества, непригодной для совершения полезной работы, называют энтропией. Упрощенно энтропия - это мера дезорганизации, беспорядка, случайности систем и процессов.
Итак, за вторым законом термодинамики, будь-яка робота сопровождается трансформацией высококачественной энергии в энергию низшего и самого 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 конечном счете превращается в низкокачественную, деградирует до тепла. 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 физической энтропии (энтропия 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, живое питается не энергией, оно питается чужим порядку (например, порядком солнечного света, химических связей органического вещества). В процессе же упорядочивания живое вещество необратимо рассеивает энергию, которая течет сквозь экосистемы, то есть создает энтропию экологическую.
Тепловое рассеяния энергии экосистемами происходит двумя основными путями:
1) обыкновенных потерь тепла через разницу в температурах биоты и окружающей среды;
2) потерь 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 постоянной количества энергии, поступающей чем меньше тепла излучается, тем более выполняется полезной работы, тем упорядкованішою становится система. Например, в системе продуцент-редуцент полезная работа заключается в противодействии распада тел лишь двух звеньев - продуцентов и редуцентів, а в системе продуцент-консумент-редуцент - уже в поддержании организации трех компонентов. При одинаковом количестве внешней энергии в обоих случаях вторая система, которая осуществляет больше полезной работы, будет излучать меньше тепла, то есть будет иметь более низкую экологическую энтропию. Из этого следует, что чем длиннее цепи питания, тем они энергетически более совершенные.
Растения поглощают энергию Солнца. Эта энергия циркулирует в системе, которую мы называем біотою и можем изобразить в виде багатосхідчастої пирамиды. Нижняя ступенька - грунт. Ступенька, на которой располагаются растения, опирается а почва; 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, которые отражают передачи энергии, содержащейся в пище, от первичного источника (растения) - через ряд организмов, каждый из которых поедает предыдущего и съедается следующим, называются цепями питания. Земля, таким образом, - это не просто почву, а источник энергии, циркулирующей в системе, которая состоит из почвы, растений и животных. Цепи питания - это живые каналы, что подают энергию вверх, а смерть и тление возвращают ее в грунт. Система не заперта - часть энергии теряется в процессе тления, часть добавляется поглощением из воздуха, часть накапливается в почве, торфе и лесах-довгожителях, но это система, которая действует постоянно, своеобразный фонд жизни, что медленно накапливается и находится в постоянном обороте. (Л. Олдо, выдающийся американский эколог, лесовод, охотовед).
Большое количество биомассы и энергии во время перехода с одного трофического уровня на другой рассеивается, тратится на поддержание температуры тела организмов, на превращение в СО2; не вся биомасса низшего уровня используется как еда организмами высшего уровня и не вся усваивается организмами. Иначе говоря, за вторым законом термодинамики, энергия превращается в тепло, которое рассеивается в окружающей среде и теряется в пространстве. Как отмечалось выше, по подсчетам экологов, лишь 10% биомассы одного трофического уровня превращается в биомассу второго уровня (так называемое правило десяти процентов).
Поток энергии в цепях питания зависит от длины конкретного цепи, которая определяется количеством трофических уровней. Продуценты, синтезирующие органическое вещество, принадлежат к первому трофического уровня. Консументи, которые поедают органическое вещество продуцентов, например травоядные животные (фитофаги), - до второго уровня; консументи, которые поедают фитофагов (например, хищники, охотящиеся на травоядных), находятся на третьем уровне и т. д. Редуценты, которые разлагают органические вещества на минеральные компоненты, находятся на последнем трофическом уровне и завершают цепь питания. Они окончательно высвобождают энергию, связанную ранее продуцентами.
Поедая или раскладывая органическое вещество представителей предыдущего трофического уровня, консументи ли редуценты достают 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 лишь в среднем 10% используется на построение и поддержание тела того, кто эту органическое вещество потребил. Например, консументи первого порядка (фитофаги), которые поедают продуцентов, хранят в виде органического вещества своего тела лишь 10% энергии, связанной растениями в процессе фотосинтеза; в теле консумента второго порядка (зоофага, что питается фитофагами) запасается только 1% поглощенной солнечной энергии, а хищник, который питается этим зоофагом (консумент третьего порядка), в своих клетках содержит лишь 0,1% солнечной энергии, связанной растениями.
Продукты жизнедеятельности и отмершие тела как производителей, так и консументів становятся источником энергии для редуцентів - бактерий и грибов, раскладывают (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 во время ее перехода с одного трофического уровня на следующий цепи питания не могут быть длинными и обычно насчитывают не более чем пять звеньев: звено продуцентов, одну-три звена консументів, звено редуцентів.
Круговорот веществ в биосфере.
Существование жизни на Земле зависит не только от потока энергии, но и от круговорота веществ в биосфере. Любые 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 и 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, которые используются живым веществом в больших количествах и обычно составляют не менее 0,1% общей массы организма, называют макроэлементами. К макроэлементов принадлежат 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 выборочно и в значительном количестве поглощает их из неживого среды и концентрирует в клетках. Элементы, необходимые организмам в меньших количествах (до 0,1%), принадлежат к микроэлементов. Это медь, цинк, молибден, бор, йод, кремний и др.
Макро - и микроэлементы используются живыми существами в составе определенных молекул. Элемент, входящий в состав молекулы, с которой он может быть усвоен организмом, называют доступным, или элементом в доступной форме. Часто для различных групп организмов доступные формы одного и того же элемента разные.
Кругообіги 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, созданной продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или из водного раствора) и употребления 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 первичных источников углерода в биосфере принадлежат атмосферный 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.
Неорганический углерод доступен только для продуцентов - растений и небольшой группы хемотрофних бактерий. Вследствие процессов фото - и хемосинтезу углерод связывается в молекулы сахаров, которые потом используются для создания других органических соединений. В таком виде углерод становится доступным для консументів и редуцентів. В результате процессов дыхания и брожения органические вещества в клетках окисляются с выделением энергии и углекислого газа, который снова или попадает в атмосферу, или растворяется в воде, а также образует ионы карбонатов. Органическое вещество погибших особей также распадается с образованием углекислого газа. Этот процесс осуществляется редуцентами. Если по каким либо причинам отмершие останки не были использованы редуцентами, они накапливаются в литосфере и со временем трансформируются в углеродсодержащие ископаемые - торф, уголь, нефть.
Круговорот азота (рис. 2. 2.). Атмосферный азот, что находится в молекулярной форме, доступен только для немногочисленной группы азотфіксувальних бактерий и синьозелених водорослей. Азотфіксатори, усваивая молекулярный азот, привлекают его в состав органического вещества своего тела, то есть переводят в органическую форму. После отмирания органический азот трансформируется в минеральную форму (аммоний, нитраты и нитриты) амоніфікуючими и нітрифікуючими бактериями. Минеральный азот доступен только для растений, которые усваивают его и переводят в органическую форму (в частности в белки и нуклеиновые кислоты), и в таком виде азот становится доступным для консументів - животных и грибов. После их отмирания азот вновь используется бактериями амоніфікаторами и нітрифікаторами. Минеральный азот используют также бактерии денітрифікатори, которые, в конечном счете, переводят его в молекулярную форму и возвращают в атмосферу. Цикл замыкается.

Круговорот фосфора.
В отличие от азота, источником фосфора не атмосфера, а земная кора. В процессе выветривания горных пород фосфор переходит в почвенный раствор и становится доступным для растений. Он входит прежде всего в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфорної кислоты (АТФ), фосфолипидов. С этими органическими веществами фосфор передается цепями питания от продуцентов к консументів и возвращается в почву в виде органических остатков и продуктов жизнедеятельности. В результате процессов минерализации, которые осуществляются бактериями-редуцентами, фосфор снова переходит в неорганические формы и становится доступным для растений.
Однако в природе чаще всего именно недостаток фосфора сдерживает развитие биоты. С одной стороны, фосфорные соединения быстро вымываются в Мировой океан. Этому способствуют процессы эрозии почвы. Много фосфора выносится в океан и с неочищенными сточными водами. В океане этот фосфор частично используется микро - и макроскопическим водорослями, а затем потребляется морскими консументами и редуцентами. Некоторая часть фосфора может перевідкладатися на суше. Например, помет морских рибоїдних птиц, который содержит много фосфора, накапливается в птичьих колониях и на птичьих базарах, образуя так называемое гуано - полезное ископаемое, что интенсивно добывается в некоторых странах и используется для производства фосфатных минеральных удобрений (например, в Чили). Но большая часть фосфора громоздится на дни с отмершими остатками морской биоты. Этот фосфор может снова стать доступным для биоты только со временем в геологическом измерении, например после поднятия определенных участков морского дна (правда, сегодня человек уже начала разрабатывать и морские месторождения фосфоритов). С другой стороны, на суше значительная часть минерального фосфора образует нерастворимые комплексы с грунтовыми частицами и становится недоступной для продуцентов, следовательно, и для других звеньев трофических цепей. Лишь некоторые почвенные грибы способны удалять фосфорные соединения из этих комплексов.
Круговорот серы.
Сера - это необходимый компонент многих органических веществ, среди которых прежде всего следует отметить аминокислота цистеин.
Главным источником серы является растворенные в воде продукты выветривания горных пород (чаще всего сульфиды железа - основной компонент колчедана) или сероводород и сернистый газ, которые выделяются в атмосферу вулканами, гейзерами, горячими источниками. Сероводород, окисленный атмосферным кислородом до сернистого газа, растворяется в водяной бане атмосферы и выпадает из дождем на поверхность планеты. В состав живого вещества сера попадает путем поглощения растворенных в воде ионов сульфатов растениями-продуцентами. Потом сера в составе растительных белков цепями питания попадает в консументів и редуцентів. В анаэробных условиях (например, в болотах) редуценты раскладывают белки с выделением серы в виде сероводорода, который может быть окисленный к молекулярной серы или к растворимых сульфатов и сульфидов. В такой форме сера снова становится доступной для продуцентов.
Сегодня круговорот серы под влиянием человека претерпевает существенных изменений: почти треть серы, что циркулирует в биосфере, попадает в атмосферу с димогазовими выбросами заводов, фабрик и тепловых электростанций. Эта «лишняя» сера, растворяясь в атмосфере с образованием серной и сернистой кислоты, выпадает в виде кислотных дождей, которые приводят к быстрой деградации многих экосистем.
Кругообіги калия, магния и кальция.
Эти элементы в виде ионов попадают в живом веществе в процессе поглощения воды растениями, а также во время употребления питьевой воды. Они выполняют различные функции. Например, калий необходим для работы калий-натриевого насоса клеток, магний - обязательная составляющая хлорофилла, кальций необходим для поддержания постоянного рН цитоплазмы, является главным компонентом панцирей, домиков, скелетов многих животных. Подобно азота, фосфора и серы, эти элементы мигрируют трофическими цепями от продуцентов через консументи к редуцентів. После гибели организма они быстро переходят в водные растворы и снова становятся пригодными для дальнейшего использования.
В морях кальций и магний частично изъяты из биологического круговорота и консервируются в осадочных породах. Например, микроскопические водоросли кокколітофориди перевідкладають кальций в виде карбонатов на поверхности клеток, образуя так называемые кокколіти. После отмирания клеток кокколіти не успевают полностью раствориться в воде и оседают на дно, формируя меловые осадочные породы. Только в геологическом масштабе времени, после поднятия определенных участков дна, кальций, накопленный в мелу, высвобождается в процессе выветривания и снова становится доступным для биоты.
Ш Большой круговорот веществ и влияние на него антропогенного фактора. Энергия Солнца и силы гравитации движут два кругообіги веществ: биологический и геологический (рис. 2. 3.). Биологический круговорот быстрый и разомкнут: начальная и конечная звена замыкаются через доступные неорганические вещества. Геологический круговорот медленный и замкнутый. Часть веществ из биологического круговорота поступает в геологический в виде остатков отмерших, образуя осадочные породы, которые со временем под воздействием давления, температуры и других факторов трансформируются в граниты. Тектонические поднятия вызывают вынесения части гранитных пород на поверхность. Граниты выветриваются, и, как следствие, образуется фонд доступных веществ, что в дальнейшем снова привлекаются к биологического круговорота.

Процессы круговорота веществ в биосфере осуществляются сбалансировано. Подавляющее большинство веществ, привлеченных к биологического круговорота, возвращается в минеральный состояние и становится доступной для повторного использования живым веществом. Лишь небольшая часть откладывается в осадочных породах, но эти потери компенсируются веществами, которые высвобождаются из горных пород в результате процессов выветривания.
Баланс и согласованность биологического и геологического циклов достигаются благодаря живом веществе: за счет длительных процессов видообразование в случае появления новых ресурсов или новых условий среды и за счет формирования многочисленных прямых, обратных и косвенных связей между различными организмами и факторами среды.
Обычно ускорения выветривания горных пород влечет за собой рост количества биогенных веществ, что, в свою очередь, стимулирует увеличение количества живого вещества и в конечном счете повышает интенсивность процессов вынесения веществ в Мировой океан. Это приводит к более интенсивного накопления донных осадков. Количество доступных веществ в биосфере начинает быстро уменьшаться. Биосфера переходит на «голодный» режим, который сопровождается массовыми вимираннями видов, усилением конкурентной борьбы за ресурсы и ускорением процессов образования новых, более конкурентоспособных и «экономных» видов. Однако вымирание происходит гораздо быстрее, чем видообразование. Примером могут служить каменноугольный и мелованый периоды, когда чрезвычайно быстро накоплялись осадочные породы в результате катастрофического вымирания многих видов палеозойской и ранньомезозойської флоры и фауны. Вымирание сопровождалось появлением на планете новых классов и типов (отделов) животных и растений. Еще продолжаются дискуссии о причинах нарушения баланса между биологическим и геологическим крутообігами, однако катастрофические последствия этого и медленные темпы их устранения очевидны.
Сегодня ситуация аналогичная, но, в отличие от предыдущих эпох, причина ее известна: это деятельность человека - так называемый антропогенный фактор (рис. 2. 4.).

Рассмотрим главные причины нарушение круговорота веществ в биосфере.
Во-первых, это достаточно сильное искусственное ускорение процессов выветривания осадочных и гранитных пород, связанное с добычей и переработкой полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, торфа, природного газа. В результате в атмосфере увеличивается содержание углекислого газа, оксидов серы, через кислотные дожди уменьшается рН почвы, что приводит к переходу многих элементов в растворенное состояние. Некоторые из них в больших концентрациях токсичные и опасные для живого (например, тяжелые металлы - медь, цинк, свинец). Процессы круговорота веществ в биологическом цикле замедляются - ведь гибнут носители живого вещества. И чем больше элементов переходит в раствор, тем больше их вымывается в Мировой океан. Ускоренные темпы гибели биоты, замедлены темпы повторного использования доступных минеральных веществ, рост скорости их вымывание вызывают переобогащение Мирового океана биогенными элементами. Вследствие этого учащаются вспышки «цветения» океана микроскопическими водорослями, которые нередко бывают токсичными и подавляют развитие консументів, которые их потребляют. Так, по сравнению с прошлыми веками частота вспышек «цветения» в Мировом океане выросла в 50-130 раз! Все это ускоряет процессы извлечения из биосферы доступных биогенных веществ их консервации в донных отложениях.
Во-вторых, человек в процессе своей хозяйственной деятельности создает многочисленные вещества (например, пластмассы), которые в дальнейшем не могут быть использованы ни продуцентами, ни разложены к доступных минеральных веществ редуцентами. Они образуют особую группу антропогенных «осадочных пород» - отходы нашей цивилизации, которые археологи почему назвали «культурным слоем». Эти отходы в конце концов будут трансформированы в литосфере в граниты и затем в процессе выветривания снова станут доступными для живого вещества, но произойдет это в геологических масштабах времени - через миллионы лет. Поэтому есть реальная угроза того, что доступные ресурсы биосферы могут быть переработаны на отходы быстрее, чем завершится цикл геологического кругооборота. Что в этом случае произойдет с биосферой (в том числе и с человеком), предсказать несложно.


Назад