Энергия в экосистемах
Важнейший источник энергии, которая поступает в экосистему, это солнце. Из космоса поступает солнечный свет, который попадает на самую верхнюю границу биосферы , энергия этого света равна $8,4 Дж / см^2$ в одну минуту. Однако, во время пути через атмосферу, она рассеивается (поглощается газами и пылью , отражается), и в безоблачный летний день до нижних слоев биосферы доходит не более $5.63 Дж/ см^2$ мин энергии. Число солнечной энергии, которая доходит до автотрофного слоя экосистемы за один день в умеренной зоне достигает от $420 \ до \ 3360 \ Дж/ см^2$(в среднем $1260- 1680 \ Дж/ см^2$), что составляет $4620 -6300 \ МДж/м^2$ в год. Энергия лучей солнца, которая доходит до земной поверхности, состоит приблизительно на 10 % из УФ излучения, на 45 % из ИК излучения и на 45 % из видимого света.
Автотрофам нужна энергия солнечного света не только в виде света (для фотосинтеза), а также в виде тепловой энергии, так как процессы биосинтеза и фотосинтеза требуют определенной температуры протоплазмы. Однако, если в ходе фотосинтеза соединяется энергия красных и синих лучей (видимый свет), то в качестве источника тепла используется главным образом дальняя инфракрасная радиация, которая хорошо поглощается влагой листьев.
Тепловое воздействие на растения иногда бывает таким сильным, что создает угрозу перегрева растений (а следовательно и угрозу процессу фотосинтеза). Для предотвращения последствий перегрева создается ток воды через растения (транспирация), которая выполняет и другие функции. Для биохимических процессов (биосинтеза) основная форма энергии — энергия химических связей глюкозы. Гетеротрофным организмам необходима в первую очередь энергия пищи, т. е. солнечная энергия, связанная в биомассе автотрофов. Но им также необходима энергия в виде прямых солнечных лучей и энергия в виде тепла.
Таким образом, биотическое сообщество экосистемы подвергается мощному воздействию как видимого солнечного излучения, так и теплового, исходящего не только от солнца, но и от всех тел на земле, у которых температура больше абсолютного нуля. Но если поток солнечного излучения имеет четко выраженную направленность (сверху вниз), то длинноволновое тепловое излучение распространяется беспрерывно во всех направлениях. Число тепловой энергии, которую получают за сутки животным или растением на открытой местности летом, может в несколько раз превышать направлешюе вниз излучение Солнца.
Энергия необходима не только живым организмам, но и для других процессов (физико-химических , химических, физических), протекающих в экосистемах, биосфере, так как любая работа затрачивает энергию. Так, например, для поддержания гидрологического цикла на планете затрачивается около 23 % поступающей солнечной радиации.
Другие источники энергии в экосистемах
Для нормального функционирования отдельные экосистемы употребляют не только энергию солнечного света, но и другие источники. Всякий источник энергии, уменьшающий затраты энергии на самоподдержание экосистемы и увеличивающий ту долю энергии, которая может перейти в продукцию, называют дополнительным (вспомогательным) источником энергии, или энергетической субсидией.
Так, прибрежные мелководные заливы (эстуарии) получают дополнительную энергию в виде отмерших листьев, растущих на берегу деревьев, и биогенных элементов, приносимых водой во время приливов и отливов. В этом случае источником дополнительной энергии является солнечная энергия, связанная в биомассе листьев и энергия лунного притяжения, вызывающая приливы и отливы.
Таким образом, биотическое сообщество экосистемы подвергается мощному воздействию как видимого солнечного излучения, так и теплового, исходящего не только от солнца, но и от всех тел на земле, у которых температура больше абсолютного нуля. Но если поток солнечного излучения имеет четко выраженную направленность (сверху вниз), то длинноволновое тепловое излучение распространяется беспрерывно во всех направлениях.
Число тепловой энергии, которую получают за сутки животным или растением на открытой местности летом, может в несколько раз превышать направлешюе вниз излучение Солнца. Энергия необходима не только живым организмам, но и для других процессов (физико-химических , химических, физических), протекающих в экосистемах, биосфере, так как любая работа затрачивает энергию. Так, например, для поддержания гидрологического цикла на планете затрачивается около 23 % поступающей солнечной радиации.
Источник
13. Энергетика экосистем. Экологические пирамиды. Продукция и распад. Продуктивность водных и наземных экосистем. Экологическая эффективность.
Без переноса энергии, сопровождающего такие изменения как рост, самовоспроизведение и синтез сложных хим-х соед-й не было бы ни жизни, ни экологических систем.
C точки зрения процессов преобразования энергии природная экосистема – это любая физическая система, для которой должен выполняться первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласящий, что энергия может переходить из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она не исчезает и не создается заново.
Следует учитывать и второй закон термодинамики, который утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а следовательно, теряется (такое явления называют энтропией. Э. – количество энергии, которая становится недоступной для использования).
Экологическая пирамида — это графическое изображение соотношения между продуцентами и консументами всех уровней в экосистеме. Различают три основных типа экологических пирамид:
1) Пирамида чисел (численности) или пирамида Элтона отражает численность отдельных организмов на каждом трофическом уровне.
Водных экосистемы (пруд) и наземных экосистем (луг, степь). Например: тысяча особей фитопланктона в небольшом пруду может прокормить 100 особей мелких ракообразных – консументов первого порядка, 10 особей рыб 1 окуню
Леса умеренного пояса. Например: в лесу умеренного пояса летом небольшое количество больших деревьев — продуцентов снабжает пищей огромное количество небольших по размеру насекомых-фитофагов и птиц — консументов первого порядка.
2) Пирамиды биомассы, в которых используется суммарная масса (обычно сухая) организмов на каждом трофическом уровне. В наземных экосистемах – правильные пирамиды; перевернутые – в океане, где биомасса продуцентов оказывается меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды находятся не растения, а животные.
3) Пирамиды энергии, учитывающие энергоемкость организмов каждого трофического уровня. Оона всегда будет правильной формы. Это обусловлено тем, что энергия, затраченная на дыхание, не передается на следующий трофический уровень и уходит из экосистемы.
Продуктивностью экосистемы называют их способность создавать и наращивать органическое вещество. Биомассой называют органическое вещество, имеющееся в экосистеме в конкретный момент, вне зависимости от периода, за который она образовалась. Биомассу обозначают буквой Б и выражают в единицах массы на единицу площади, например, т/га. Под первичной продуктивностью экосистемы понимается скорость, с которой солнечная энергия усваивается продуцентами.
2 пути продуцирования органических веществ: фотосинтез у зеленых растений, хемосинтез бактериями. Различают: Валовая первичная продуктивность – общая скорость фотосинтеза. Часть этой продукции идет на поддержание жизнедеятельности самих растений (траты на дыхание) (“валовым фотосинтезом”). Чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом органики, израсходованной на дыхание (“наблюдаемым фотосинтезом”). Скорость накопления энергии консументами называется вторичной продуктивностью. Под разложением (распадом, деструкцией) понимается процесс превращения сложных высокомолекулярных соединений в более простые. Биохимическая формулировка:
разложение — биологическое окисление, идущее с выделением энергии в той или иной форме.
Деструкции подвергаются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, гормоны и другие органические соединения. К процессам распада органического вещества относят: тканевое дыхание, окисление, гниение. В результате разложения: 1. возвращаются в круговорот потенциальные элементы питания, находящиеся в мертвом органическом веществе. 2. производится пища для последовательного ряда организмов в детритных пищевых цепях. 3. осуществляется процесс биологического самоочищения во всех природных средах.
Продуктивность водных и наземных экосистем.
Наземные экос. Наивысшую удельную продуктивность дают болотистые экосистемы — влажные тропические джунгли. Эти экосистемы очищают воздух и стабилизируют состав атмосферы, очищают воду и, являются местами размножения для огромного числа рыб и других обитателей вод. Нельзя недооценивать и вклад лесов умеренного пояса и тайги (они более устойчивы к анрт-м факторам, чем влажные троп. джунгли).
Наименее продуктивны степи, полупустыни и пустыни), с/х угодья.
Водные экос. Биопродуктивность открытого океана почти столь же низка, как у полупустынь, а его огромная суммарная продуктивность объясняется тем, что он занимает более 50 % поверхности Земли, вдвое превосходя всю площадь суши. Наиболее продуктивные районы в океане расположены в зонах перемешивания теплых экваториальных вод и холодных северных. В результате перемешивания глубинные воды, богатые биогенными элементами выносятся в поверхностные слои в зону фотосинтеза, формируя высокую первичную продукцию. Апвеллинг — это процесс подъема холодных вод с глубины океана там,
Эффективность экосистемы – отношение полезно использованной энергии к её суммарному количеству. (Ре)-продукция, (ΣРP)-суммарная первичная продукция за год или вегетационный сезон
Eе=Ре/ ΣРP . Получение высокой продукции в экосистеме возможно только при упрощении ее структуры.
Источник