Биология. В 3-х томах. Т. 2

Движущей силой этих круговоротов служит в конечном счете энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы непосредственно используют энергию солнечного света и затем передают ее другим представителям биотического компонента. В итоге создается поток энергии и питательных веществ через экосистему, как показано на рис. 12.3. Необходимо еще отметить, что климатические факторы абиотического компонента, такие, как температура, движение атмосферы, испарение и осадки, тоже регулируются поступлением солнечной энергии.

Рис. 12.3. Поток энергии и круговороты биогенных элементов в экосистеме

Для того чтобы понять, почему имеет место линейный поток энергии через экосистему, а не ее круговорот и повторное использование (как в случае питательных веществ), необходимо коротко рассмотреть термодинамические соображения.

Энергия может существовать в виде различных взаимопревращаемых форм, таких, как механическая, химическая, тепловая или электрическая энергия. Переход одной формы в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется законам термодинамики. Первый закон термодинамики, закон сохранения энергии, гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что при совершении работы энергия не может быть использована на все 100% и часть ее неизбежно превращается в тепло. Тепло есть результат случайного движения молекул, тогда как работа всегда означает неслучайное (т. е. упорядоченное) использование энергии[5]. Понятие "работы" приложимо к любому процессу, протекающему в живой системе с потреблением энергии, начиная от процессов на клеточном уровне, таких, как поддержание электрических градиентов на мембране и синтез белков, и кончая процессами на уровне целого организма (рост, развитие, репарация, размножение).

Таким образом, живые организмы — это преобразователи энергии, и каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конце концов вся энергия, поступающая в биотический компонент экосистемы, рассеивается в виде тепла. Можно было бы подумать, что, поскольку и тепло способно совершать работу (например, в паровозе), то нет причин, которые мешали бы круговороту тепла. Однако процесс, производящий тепло, требует больше энергии, чем может быть возвращено путем вторичного использования этого тепла; поэтому в целом происходит все же потеря полезной энергии в системе. Фактически живые организмы не используют тепло как источник энергии для совершения работы — они используют свет и химическую энергию.

Изучение потока энергии через экосистемы называется энергетикой экосистем, и так как это доминирующая тема в их изучении, нам важно познакомиться с единицами, используемыми для измерения энергии.

12.3.2. Единицы измерения энергии

Хотя в системе СИ энергию измеряют в джоулях, все еще широко применяется и традиционная единица-калория. Определения для обеих единиц даны в табл. 12.1, в которую включены также данные о содержании энергии в отдельных питательных веществах и в живых организмах, а также дневная потребность в энергии для некоторых из них.

12.1. Почему содержание энергии в табл. 12.1 дано в пересчете на сухую, а не сырую массу?

12.2. Чем можно объяснить большое различие суточной потребности в энергии (на единицу массы тела) у человека и у мелких птиц или млекопитающих?

Таблица 12.1. Единицы энергии и содержание энергии в некоторых живых организмах и питательных веществах[6]

12.3.3. Солнце как источник энергии

Первоисточником энергии для экосистем служит Солнце. Солнце — это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии. Энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая примерно 10,5 ⋅ 10⁶ кДж/м² в год, захватывается Землей. Около 40% этого количества сразу отражается от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли без какого бы то ни было теплового эффекта. Еще 15% поглощаются атмосферой (в частности, озоновым слоем в ее верхних частях) и превращаются в тепловую энергию или расходуются на испарение воды. Оставшиеся 45% поглощаются растениями или земной поверхностью. В среднем это составляет около 5 106 кДж/м² в год, хотя реальное количество энергии для данной местности зависит от географической широты. Большая часть энергии повторно излучается земной поверхностью и нагревает атмосферу; приблизительно две трети энергии поступает в атмосферу этим путем. И только небольшая часть пришедшей от Солнца энергии усваивается биотическим компонентом экосистемы.

12.3.4. Пищевые цепи и трофические уровни