Продукция и энергия в экосистемах, экологические пирамиды

Искусственные экосистемы

Искусственная экосистема - это антропогенная, созданная в человеком экосистема. Для нее справедливы все основные законы природы, но в отличие от природных экосистем она не может рассматриваться как открытая. Создание и наблюдение за малыми искусственными экосистемами позволяет получить обширную информацию о возможном состоянии окружающей среды, вследствие крупномасштабных воздействий на нее человека. С целью производства сельскохозяйственной продукции человеком создается неустойчивая, искусственно созданная и регулярно поддерживаемая агроэкосистема (агробиоценоз) - поля, пастбища, огороды, сады, виноградники и др.

Отличия агроценозов от естественных биоценозов: незначительное видовое разнообразие (агроценоз состоит из небольшого числа видов, имеющих высокую численность); короткие цепи питания; неполный круговорот веществ (часть питательных элементов выносится с урожаем); источником энергии является не только Солнце, но и деятельность человека (мелиорация, орошение, применение удобрений); искусственный отбор (действие естественного отбора ослаблено, отбор осуществляет человек); отсутствие саморегуляции (регуляцию осуществляет человек) и др. Таким образом, агроценозы являются неустойчивыми системами и способны существовать только при поддержке человека. Как правило, агроэкосистемы характеризуются высокой продуктивностью по сравнению с природными экосистемами.

Урбосистемы (урбанистические системы) — искусственные системы (экосистемы), возникающие в результате развития городов, и представляющие собой средоточие населения, жилых зданий, промышленных, бытовых, культурных объектов и т.д. В их составе можно выделить следующие территории:промышленные зоны, где сосредоточены промышленные объекты различных отраслей хозяйства и являющиеся основными источниками загрязнения окружающей среды; селитебные зоны(жилые или спальные районы) с жилыми домами, административными зданиями, объектами быта, культуры и т.п); рекреационные зоны, предназначенные для отдых людей (лесопарки, базы отдыха и т.п.); транспортные системы и сооружения, пронизывающие всю городскую систему (автомобильные и железные дороги, метрополитен, заправочные станции, гаражи, аэродромы и т.п.). Существование урбоэкосистем поддерживается за счет агроэкосистем и энергии горючих ископаемых и атомной промышленности.

Экосистема - это совокупность живых организмов, обменивающихся непрерывно веществом, информацией и энергией друг с другом и окружающей средой. Энергию определяют как способность производить работу. Ее свойства описываются законами термодинамики. Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново. Второй закон термодинамики гласит: при любых превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла, т.е. становится недоступной для дальнейшего использования. Мера количества энергии, недоступной для использования, или иначе мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии, есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Самопроизвольные процессы ведут систему к состоянию равновесия с окружающей средой, к росту энтропии, производству положительной энергии. Если неживую неуравновешенную с окружающей средой систему изолировать, то всякое движение в ней скоро прекратится, система в целом угаснет и превратится в инертную группу материи, находящуюся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, то есть в состоянии с максимальной энтропией. Это наиболее вероятное для системы состояние и самопроизвольно без внешних воздействий она выйти из него не сможет. Так, например, раскаленная сковорода остыв, рассеяв тепло, сама уже не нагреется; энергия при этом не потерялась, она нагрела воздух, но изменилось качество энергии, она уже не может совершать работу. Таким образом, в неживых системах устойчиво их равновесное состояние.

У живых систем есть одно принципиальное отличие от неживых систем - они совершают постоянную работу против уравновешивания с окружающей средой. В живых системах устойчиво неравновесное состояние. Жизнь - это единственный на Земле естественный самопроизвольный процесс, в котором энтропия уменьшается. Это возможно потому, что все живые системы являются открытыми для обмена энергией. В окружающей среде есть огромное количество даровой энергии Солнца, а в составе самой живой системы есть компоненты, обладающие механизмами для улавливания, концентрирования и последующего рассеивания этой энергии в окружающей среде. Рассеивание энергии, то есть увеличение энтропии, - это процесс, характерный для любой системы, как неживой, так и живой, а самостоятельное улавливание и концентрирование энергии - это способность только живой системы. При этом происходит извлечение порядка, организации из окружающей среды, то есть выработка отрицательной энергии - негоэнтропии. Такой процесс образования порядка в системе из хаоса окружающей среды называется самоорганизацией. Он ведет к уменьшению энтропии живой системы, противодействует ее уравновешиванию с окружающей средой. Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде избытка даровой энергии; во-вторых, способности эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду состояния с низкой энтропией.

Улавливают энергию Солнца и превращают ее в потенциальную энергию органического вещества растения - продуценты. Энергия, полученная в виде солнечной радиации, в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию химических связей.

Доходящая до Земли энергия Солнца распределяется следующим образом: 33 % ее отражается облаками и пылью атмосферы (это так называемое альбедо или коэффициент отражения Земли), 67 % поглощается атмосферой, поверхностью Земли и океаном. Из этого количества поглощенной энергии лишь около 1 % расходуется на фотосинтез, а вся остальная энергия нагрев атмосферу, сушу и океан, переизлучается в космическое пространство в форме теплового (инфракрасного) излучения. Этого 1 % энергии достаточно для обеспечения ей всего живого вещества планеты.

Процесс аккумуляции энергии в организме фотосинтетиков сопряжен с увеличением массы организма. Продуктивность экосистемы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию в процессе фотосинтеза, образуя органическое вещество, которое может быть использовано в качестве пищи. Массу веществ, созданных продуцентом - фотосинтетиком, обозначают как первичную продукцию, это биомасса растительных тканей. Первичная продукция подразделяется на два уровня – валовую и чистую продукцию. Валовая первичная продукция– это общая масса валового органического вещества, создаваемая растением в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, включая и траты на дыхание (часть энергии, которая расходуется на процессы жизнедеятельности; это ведет к уменьшению биомассы). Та часть валовой продукции, которая не израсходована «на дыхание» называется чистая первичная продукция. Чистая первичная продукция - это резерв, из которого часть используется в качестве пищи организмами - гетеротрофами (консументами I порядка). Полученная гетеротрофами с пищей энергия (так называемая большая энергия) соответствует энергетической стоимости общего количества съеденной пищи. Однако эффективность усвоения пищи никогда не достигает 100 % и зависит от состава корма, температуры, сезона и других факторов.

Функциональные связи в экосистеме, т.е. ее трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде экологических пирамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды. Известно три основных типа экологических пирамид.

Пирамида чисел (пирамида Элтона) отражает численность организмов на каждом уровне. Данная пирамида отражает закономерность – количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.

Пирамида биомасс четко указывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне. В наземных экосистемах действует правило пирамиды биомасс:суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников. Для океана правило пирамиды биомасс недействительно – пирамида имеет перевернутый вид.Для экосистемы океана характерно накапливание биомассы на высоких уровнях, у хищников.

Пирамида энергии (продукции) отражает расходование энергии в трофических цепях. Правило пирамиды энергии: на каждом предыдущем трофическом уровне количество биомассы, создаваемой за единицу времени (или энергии), больше, чем на последующем.