Потоки энергии и законы термодинамики

Превращения энергии, в отличие от цикличного движения веществ, идут только в одном направлении, почему и говорят о потоке энергии.

Из определения экосистемы (совокупности организмов и неорганических компонентов, в которых осуществляются круговорот веществ и обмен энергией) создается впечатление, что экосистеме не присущи процессы обмена с внешней средой. Однако это не так. Любой экосистеме свойственны не только определенная материальная, пространственная и временная структура, но и энергомассообмен с внешней средой или его отсутствие.

В зависимости от характера взаимодействия систем с внешней средой их можно подразделить на замкнутые (изолированные), закрытые и открытые.

Замкнутая (изолованирная) система – система, у которой отсутствует обмен энергией и веществом с внешней средой.

Закрытые системы – системы, которые могут обмениваться энергией с внешней средой, например путем теплообмена или совершения работы.

Открытые системы обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом.

Направленность и возможность протекания процессов в системах в зависимости от параметров и характера обмена с внешней средой рассматриваются в разделах термодинамики.

Возможно ли использование законов термодинамики для экосистем? Да, возможно, ибо экосистемы, так же как и любые системы, характеризуются материальной, пространственной и временной структурой, а также обменом потоков энергии и вещества.

Для изучения потоков энергии в экосистемах особое значение имеют два начала термодинамики. Первое начало термодинамики гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую.

В соответствии с этим энергетика экосистемы подчиняется первому началу термодинамики, или закону сохранения энергии (энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую). Математически это можно записать следующим образом:

, (8.1)

где – изменение внутренней энергии системы; – количество переданной системе теплоты; – количество переданной системе энергии; – работа внешних сил, совершенная над системой.

Первое начало термодинамики характеризует лишь балансы тепловых процессов и не отвечает на вопрос, в каком направлении они будут протекать в действительности.

Второе начало термодинамики формулируется следующим образом: процессы, связанные с превращением энергии, могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную.

Тот факт, что (согласно второму началу термодинамики) энергия при любых превращениях стремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, дало основание говорить о «старении» Солнечной системы. Поэтому в XIX в. широко обсуждался вопрос о «тепловой смерти» Вселенной.

Второе начало (закон) термодинамики используется для определения направления процессов и положения равновесия. Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики:

тепло не может самопроизвольно перетекать от менее нагретых тел к более нагретым;

невозможно создать вечный двигатель второго рода;

при любых превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла (это определение в экологии используется наиболее часто).

Поток энергии в экосистемах

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в

экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном счете, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фото- синтезирующими организмами (автотрофами) в потенциальную — в органические соединения.

Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые (трофические) связи в сообществах — механизмы передачи энергии от одного организма к другому. В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть. Организмы любого вида являются потенциальной пищей многих других видов. Таким образом, трофические сети в экосистемах очень сложные и создается впечатление, что энергия, поступившая в них, может долго мигрировать от одного организма к другому.

На самом деле путь каждой конкретной порции энергии, накопленной зелеными растениями, короток. Она может передаваться не более чем через 4-6 звеньев ряда, состоящего из последовательно питающихся друг другом организмов. Такие ряды, в которых можно проследить пути расходования изначальной дозы энергии, называют пищевыми цепями (рис. 1).

Место каждого звена в пищевой цепи называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень — всегда продуценты, создатели органической массы; растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, — к третьему; потребляющие других плотоядных — соответственно к четвертому и т.д. (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема пищевой цепи (поток энергии и круговорот веществ) в экосистеме: Е — потоки энергии; m — круговорот вещества

Таким образом, различают консументов первого, второго и третьего порядков, занимающих разные уровни в цепях питания. Естественно, что основную роль при этом играет пищевая специализация консументов.

Виды с широким спектром питания могут включаться в пищевые цепи на разных трофических уровнях. Так, например, человек, в рацион которого входит как растительная пища, так и мясо травоядных и плотоядных животных, выступает в разных пищевых цепях в качестве консумента первого, второго и третьего порядков. Виды, специализированные на растительной пище, например, тли, зайцеобразные, копытные, всегда являются вторым звеном в цепях питания.

Как правило, каждый вид питается не одним-единственным видом. Поэтому пищевые цепи переплетаются образуй пищевую сеть (см. рис. 1.12). Чем сильнее организмы связаны между собой пищевыми сетями и другими взаимодействиями, тем устойчивее сообщество против возможных нарушений среды обитания.

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пиша обычно усваивается не полностью. Неусвоенная часть вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и в дальнейшем может быть вовлечена в другие цепи питания. Процент усвояемости зависит от состава пищи и набора пищеварительных ферментов организма. У животных усвояемость пищевых материалов варьирует от 12-20% (некоторые сапрофаги) до 75% и более (плотоядные виды).

Ассимилированная организмом пиша вместе с запасом в ней энергии расходуется двояким образом. Большая часть энергии используется на поддержание рабочих процессов в клетках, а продукты расщепления подлежат удалению из организма в составе экскретов и углекислого газа, образующегося при дыхании.

Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов условно называют тратой на дыхание (см. рис. 8.3), так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение С0₂ организмом. Меньшая часть усвоенной пищи трансформируется в ткани самого организма, т.е. идет на рост или откладывание запасных питательных веществ, увеличение массы тела.

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, КПД которых очень низок. В конечном счете, вся энергия, использованная на метаболизм, переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве. Траты на дыхание во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы самого организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей.

Таким образом, основная часть потребляемой с пищей энергии идет у животных на поддержание их жизнедеятельности и лишь сравнительно небольшая — на построение тела, рост и размножение. Иными словами, большая часть энергии при переходе из одного звена пищевой цепи в другое теряется, так как к следующему потребителю может поступить лишь та энергия, которая заключается в массе организма — предшественника в пищевой цепи. Эти потери составляют около 10% при каждом акте передачи энергии через трофическую цепь. Следовательно, запас энергии, накопленный зелеными растениями, в цепях питания стремительно иссякает. Поэтому пищевая цепь включает обычно всего 4-5 звеньев.

Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением новых ее порций. Поэтому в экосистемах не может быть круговорота энергии, аналогичного круговороту веществ. Экосистема функционирует только за счет направленного потока энергии (постоянного поступления ее извне) в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимического круговорота на фоне потока энергии: П_в — валовая продукция; П_ч — чистая продукция; П₂ — вторичная продукция; Д — траты энергии на обмен веществ (траты на дыхание); заштрихованная часть рисунка — круговорот вещества

Поток энергии, входящий в экосистему, разбивается далее как бы на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.

В разных типах экосистем мощность потоков энергии через пищевые и цепи разложения различна: в водных сообществах большая часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктоном животным и далее — к хищникам и значительно меньшая включается в цепи разложения.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.