3.1. Бюджет солнечной энергии в экосистеме

Поступающая на поверхность планеты солнечная энергия расходуется в экосистеме. Количество этой энергии очень велико и составляет примерно 55 ккал на 1 кв.см. в год. Однако растения фиксируют не более 1-2% солнечной энергии ( а в пустынях и в океане – сотые доли процента), остальное затрачивается на нагревание атмосферы, суши и испарение. Из накопленной растениями солнечной энергии сравнительно немного – не более 7-10% - достается растительноядным животным, питающимся живыми растениями. Большую ее часть используют симбиотрофы (бактерии и грибы), которые получают питание из корней растений, выделяющих в почву углеводы (или живут непосредственно в корне), и детритофаги и редуценты, питающиеся отмершими растениями.

Для понимания процессов превращения энергии в экосистеме полезны законы термодинамики, которые сформулированы физиками. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому энергия в экосистеме не может появиться сама собой, а поступает в нее извне – от Солнца или в результате химических реакций неорганических веществ. В гетеротрофные антропогенные экосистемы энергия поступает от специальных энергетических устройств, на которых получается электрическая энергия или готовиться к использованию энергия углеродистых энергоносителей.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии, имеет несколько формулировок. Одна из них следующая: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). Например, тепло более нагретого предмета рассеивается в более холодной среде. Второй закон термодинамики можно сформулировать и так: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100%. Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера количества связанной энергии, которая становиться недоступной для использования. Этот термин используется и как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.

Второй закон термодинамики – это закон снижения качества энергии. Он объясняет то, как энергия переходит из одной формы в другую. При любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию. В соответствии с этим законом растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии, остальная рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание среды экосистемы. Лишь небольшая часть поглощенной растением солнечной энергии расходуется на продукционный процесс. Рассеивание энергии продолжается при дыхании и ее передаче гетеротрофным организмам. При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов и симбиотрофов), третий (хищников первого порядка) и т.д. значительное ее количество также рассеивается и снижает свое качество. Именно поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7-10%.

Тенденция снижения качества распространяется и на ту энергию, которая перешла с одного трофического уровня на другой: после смерти организмы, в теле которых она фиксирована, будут разрушены редуцентами и энергия полностью рассеется.

Важнейшей термодинамической характеристикой организмов, экосистем и биосферы в целом считается способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии. Упорядоченность экосистемы поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно “откачивает” неупорядоченность. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.

Из этих законов термодинамики нет исключений, и любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся им, неизбежно гибнет.

Все разнообразные проявления жизни сопровождаются превращениями энергии, которая в этом случае не создается и не уничтожается. Энергия, которую получает Земля в виде света, уравновешивается энергией, излучаемой с ее поверхности в форме невидимого излучения. Без переноса энергии не было бы жизни на Земле. В случае потери способности добывать и хранить достаточное количество высококачественной энергии человеческое общество стало бы закрытой системой и, в соответствии со вторым законом термодинамики, утратила бы упорядоченность.

Экология изучает связь между светом и экологическими системами, а также способы превращения энергии внутри системы. Следовательно, отношения между растениями-продуцентами и животными-консументами, между хищником и жертвой, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом месте обитания, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных форм в рассеянные. Все системы, как живые, так и неживые (например, автомобиль), регулируются одними и теми же законами термодинамики. Различие состоит в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них доступной энергии, способны самовосстанавливаться и “откачивать” неупорядоченность, а машины приходится чинить, затрачивая энергию из других систем.

При поглощении света каким-либо предметом он нагревается: световая энергия превращается в тепловую. Известно, что и суша, и вода не в одинаковых количествах поглощают солнечную энергию. В результате возникают теплые и холодные области, что является причиной воздушных потоков, которые могут выполнять различного вида работу (вращать электродвигатели, поднимать воду и т.д.). То есть в этом случае энергия света превращается в тепловую энергию земной поверхности, а затем в потенциальную, так как ее можно превратить в другие формы энергии. Энергия, необходимая для создания потока кинетической энергии, называется затраченной. Количество энергии в какой-либо форме всегда пропорциональна количеству той формы энергии, в которую она переходит, поэтому, зная одну величину, можно рассчитать другую. “Потребленная” энергия на самом деле не расходуется, а переходит в состояние с малой возможностью использования. Например, бензин, залитый в бак автомобиля, расходуется, но энергия, заключенная в нем, не исчезает, а превращается в формы, не пригодные для использования в автомобиле.

Согласно второму закону термодинамики любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. В настоящее время Земля находится в состоянии, далеком от энергетического равновесия. Она имеет большой запас потенциальной энергии, температура ее в разных областях неодинакова, и эти различия поддерживаются постоянным притоком энергии.

Следует отметить, что все известные на Земле природные явления, связанные с непрерывным превращением энергии, представляют собой части общего процесса, который ведет к устойчивому энергетическому равновесию, то есть солнечная энергия, попав на Землю, стремится превратиться в тепловую. Только небольшая ее часть превращается в потенциальную энергию, синтезированную растениями.

Основное количество лучистой энергии превращается в тепло и уходит за пределы биосферы. Остальной живой мир получает потенциальную химическую энергию, созданную растениями и хемосинтезирующими бактериями. Например, животные большую часть поглощенной химической энергии переводят в тепло, а меньшую ее часть превращают в химическую потенциальную энергию вновь созданного органического вещества. На каждом этапе передачи энергии от одного организма к другому значительная ее часть рассеивается в виде тепла. В этом случае при общем снижении доступной энергии качество оставшейся может повыситься.