Энергия в экологических системах.

§ Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не создается заново и не исчезает. Свет, например, есть одна из форм энергии, т.к. его можно превратить в работу, тепло или потенциальную энергию пищи, но энергия при этом не пропадает.

§ Второй закон термодинамики формулируется по разному. В частности, таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, к примеру, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде.

§ Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом – способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией (энтропия – мера неупорядоченности, или количество энергии, недоступной для использования).

§ Энергия в экосистемах - «поток энергии», превращения энергии идут в одном направлении, в отличие от циклического движения веществ в этих системах.

§ Энергия солнца используется первичными продуцентами: Фотосинтез -образование сложных органических веществ из простых соединений за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами.

§ СО2 + Н2О → О2 + 1/6 (С6Н12О6)

§ В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. органического веществ (около половины этого количества приходится на

долю ФОТОСИНТЕЗА растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т CO2 и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода.

Энергия, которую ассимилирует организм, расходуется на следующие нужды:

1. на поддержание жизни, т.е. основной обмен,

2. на перемещение в пространстве - затраты активности. 1 и 2 = затраты на самосохранение.

3. на обеспечение роста путем синтеза новой протоплазмы.

4. на формирование элементов, необходимых для размножения (яйца, эмбрионы, семена).

Продуктивность экологических сообществ:

§ Первичная продуктивность экологической системы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами (главным образом, зелеными растениями) в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ.

§ Продуктивность автотрофных организмов – первичная продуктивность.

§ Продуктивность представителей других трофических уровней, консументов и редуцентов – вторичная продуктивность.

§ Для экосистемы важна чистая продуктивность сообщества – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами.

Количество живого вещества, производимого в единицу времени (обычно за год) определенным трофическим уровнем или одним из его компонентов, называют валовой первичной продукцией GPP

(General Primary Production)

Количество синтезированного органического вещества, или связанной в нем энергии, которая остается после вычета расходов на дыхание – называется чистой первичной продукцией NPP.

(Net Primary Production)

Разность между валовой продукцией и количеством живого вещества, сжигаемого в процессе дыхания ( Ra) образует чистую продукцию.

ЧИСТАЯ = ВАЛОВАЯ – ПОТЕРИ НА ДЫХАНИЕ

Первичная продуктивность:

• Валовая первичная продуктивность – скорость образования живого органического вещества, производимого в единицу времени определенным трофическим уровнем.

СКОРОСТЬ * ВРЕМЯ = ПРОДУКЦИЯ

Можно встретить - валовый фотосинтез или общая ассимиляция

GPP– валовая продукция.

• Чистая первичная продукция– разность между валовой продукцией и количеством живого вещества, сжигаемого в процесс дыхания, образует чистую продукцию.

Можно называть либо чистым фотосинтезом или чистой ассимиляцией.

NPP = GPP – Ra

Вторичная продуктивность:

• Скорость накопления энергии на уровне консументов.

Консументы используют лишь ранее синтезированные вещества, часть из них расходуя на дыхание, а часть превращая в собственные ткани, вторичную продукцию не делят на валовую и чистую.

• Общий поток энергии на гетеротрофном уровне, аналогичный валовой продукции в случае автотрофов, называют ассимиляцией.

А = С(потребленное) - Е(неусвоенное)

• Вторичная продукция за вычетом потерь на дыхание Рс = А - Rc

Чистая продуктивность сообщества:

• NEP – Net Ecosystem Production
  Скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами (чистая первичная продукция минус потребление гетеротрофами) за определенный период
• Потери на дыхание гетеротрофов Суммарные потери на дыхание
• Rh = Rc + Rr (консументы и редуценты). ER = Ra + Rh (автотрофы и гетеротрофы)
• NEP = GPP – ER = (NPP + Ra) – (Ra + Rh) = NPP – Rh
• GPP = NPP + Ra

NEP = NPP – Rh

• В устойчивой равновесной экосистеме NEP=0.
• В восстанавливающейся экосистеме NEP>0 (зарастание вырубки)
• В нарушаемых экосистемах (загрязнение, вспышки насекомых) NEP<0.

Общая схема потока энергии:

Поток энергии (по П. Дювиньо и М. Тангу, 1968): Пв – продукция валовая; Пч – продукция чистая; К – продукция, использованная на корм; А2, А3 – корм, ассимилированный консументами; н – неиспользованная часть продукции; П2 – вторичная продукция (травоядные); П3 – прирост хищников; Д1-Д3 – траты энергии на обмен веществ (траты на дыхание).Н –неусвоенная пища, Э -эксременты

АВТОТРОФЫ ГЕТЕРОТРОФЫ

Оптимизация потоков энергии:

Контролируемые сельскохозяйственные экосистемы.

У консументов вторичная продукция выражается уравнением

Pc = C – E – Rc или Рс = А - Rc

(А = С - Е ассимилированное вещество за вычетом выделений и экскрементов).

Охрана от хищников, регулирование

полового состава – снижение Rc,

повышение Pc. Но еще большее

снижение Rc – уменьшить подвижность.

Отсюда современное промышленное животноводство и птицеводство – стойла и птицефабрики.

У растений NPP = GPP – Ra

Тоже в основном снижение Ra –

затрат на конкурентную борьбу, на

защиту от фитофагов, на добывание

биогенных элементов.