Энергетические типы экосистем

Энергия - наиболее удобная основа для классификации экосистем. Различают четыре фундаментальных типа экосистем: 1) движимые Солнцем, малосубсидируемые; 2) движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками; 3) движимые Солнцем и субсидируемые человеком; 4) движимые топливом.

В большинстве случаев могут использоваться и два источника энергии - Солнце и топливо.

Природные экосистемы, движимые Солнцем, малосубсидируемые - это открытые океаны, высокогорные леса. Все они получают энергию практически только от одного источника - Солнца и имеют низкую продуктивность. Ежегодное потребление энергии оценивается ориентировочно в 10³-10⁴ ккал-м². Организмы, живущие в этих экосистемах, адаптированы к скудному количеству энергии и других ресурсов и эффективно их используют. Эти экосистемы очень важны для биосферы, так как занимают огромные площади. Океан покрывает около 70 % поверхности земного шара. По сути дела, это основные системы жизнеобеспечения, механизмы, стабилизирующие и поддерживающие условия на «космическом корабле» - Земле. Здесь ежедневно очищаются огромные объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия, поддерживается температура и выполняются другие функции, обеспечивающие жизнь. Кроме того, без всяких затрат со стороны человека здесь производится некоторое количество пищи и других материалов. Следует сказать и о не поддающихся учету эстетических ценностях этих экосистем.

Природные экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые другими естественными источниками - это экосистемы, обладающие естественной плодородностью и производящие излишки органического вещества, которые могут накапливаться. Они получают естественные энергетические субсидии в виде энергии приливов, прибоя, течений, поступающих с площади водосбора с дождем и ветром органических и минеральных веществ и т. п. Потребление энергии в них колеблется от 1-10⁴ до 410⁴ ккал-м'²-год¹. Прибрежная часть эстуария типа Невской губы - хороший пример таких экосистем, которые более плодородны, чем прилегающие участки суши, получающие то же количество солнечной энергии. Избыточное плодородие можно наблюдать и в дождевых лесах.

Экосистемы, движимые Солнцем и субсидируемые человеком - это наземные и водные агроэкосистемы, получающие энергию не только от Солнца, но и от человека в виде энергетических дотаций. Высокая продуктивность их поддерживается мышечной энергией и энергией топлива, которые тратятся на возделывание, орошение, удобрение, селекцию, переработку, транспортировку и т. п. Хлеб, кукуруза, картофель «частично сделаны из нефти». Самое продуктивное сельское хозяйство получает энергии примерно столько же, сколько самые продуктивные природные экосистемы второго типа. Их продукция достигает приблизительно 50 000 ккал-м'²-год⁴. Различие между ними заключается в том, что человек направляет как можно больше энергии на производство продуктов питания ограниченного вида, а природа распределяет их между многими видами и накапливает энергию на «черный день», как бы раскладывая ее по разным карманам. Эта стратегия называется «стратегией повышения разнообразия в целях выживания».

Индустриально-городские экосистемы движимые топливом - венец достижений человечества. В индустриальных городах высококонцентрированная энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию. Пищу - продукт систем, движимых Солнцем, - в город ввозят извне. Особенностью этих экосистем является огромная потребность плотно населенных городских районов в энергии - она на два-три порядка больше, чем в первых трех типах экосистем. Если в несубсидируемых экосистемах приток энергии колеблется от 10³до 10⁴ ккал-м²год^-1, а в субсидируемых системах второго и третьего типа - от 10⁴ до 4-10⁴ ккал-м²-год^-1, то в крупных индустриальных городах потребление энергии достигает нескольких миллионов килокалорий на 1 м²: Нью-Йорк - 4,8-10⁶, Токио - 3-10⁶, Москва - 10⁶ ккал-м²-год^-1.

Потребление энергии человеком в городе в среднем составляет более 80 млн ккал-год⁴; для питания ему требуется всего около 1 млн ккал-год⁴, следовательно, на все другие виды деятельности (домашнее хозяйство, транспорт, промышленность и т. д.) человек расходует в 80 раз больше энергии, чем требуется для физиологического функционирования организма. Разумеется, в развивающихся странах положение несколько иное.

По мере углубления энергетического кризиса и роста цен на горючее люди, видимо, будут больше интересоваться использованием солнечной энергии и разрабатывать технологии ее концентрации. Возможно, в будущем и возникнет новый тип экосистем - город, движимый энергией не только топлива, но и Солнца.

В своем развитии человеческое общество прошло через все четыре типа описанных выше экосистем. Охотники и собиратели растений жили в природных экосистемах, движимых только Солнцем. Люди достигали наибольшего процветания в системах с естественными энергетическими субсидиями: в прибрежных районах моря и речных бассейнах. С развитием сельского хозяйства, когда человек усовершенствовал свое умение выращивать растения, одомашнивать животных и получать урожаи с помощью дополнительной мышечной энергии, продуктивность среды сильно возросла. Но в течение многих веков основными источниками энергии для человека оставались растения и животные. Города, деревни, соборы строились из дерева с использованием физического труда животных и человека. Этот долгий период можно назвать эрой мышечной силы.

Затем наступила продолжающаяся и сейчас эра горючих ископаемых, которые обеспечили такой обильный приток энергии, что население Земли стало удваиваться почти каждые полвека. Работа механизмов, приводимых в движение бензином и электричеством, постепенно почти полностью заменила физический труд человека в развитых странах.

Со временем стала использоваться и атомная энергия. Казалось вероятным, что после исчерпания топлива начнется эра атомной энергии. Но пока на «откачивание» неупорядоченности, связанной с этим источником, т. е. на переработку отходов, приходится тратить столько усилий и энергии, что будущее атомной энергетики неясно. Пока не отработан и не согласован весь цикл получения ядерной энергии - от добывания сырья до устранения отходов и не найдены лучшие способы извлечения энергии атома, наступление атомной эры по крайней мере откладывается.

Энергия и деньги

Еще на заре цивилизации возникли деньги. Деньги – это мера стоимости товаров, они являются непосредственным представителем абстрактного труда или выполненной работы.

Приравненные к деньгам стоимости всех товаров приобретают одинаковое выражение и становятся сравнимы между собой.

Потоки денег и энергии тесно взаимосвязаны: поток денег противоположен потоку энергии. Когда продукты питания избыточны, они превращаются в товар. После продажи товара в обратном направлении возникает поток денег.

Соотношение энергии и денег определяется количеством энергии, вложенной в каждый обращающийся рубль. Чем больше энергии затрачено, тем выше реальная стоимость рубля.

В каждый данный момент существует некоторое среднее отношение суммы обращающихся денег к энергетическому потоку. Например, если в стране объем расходуемых денег ежегодно составляет около 1,4 трлн (10¹²) долларов и используется за год 35-10¹⁵ ккал энергии, то на 1 доллар приходится 25000 ккал. Естественно, это соотношение неодинаково в различных частях энергетической системы, но можно оценить его для системы в целом. Данное соотношение позволяет показать, какое количество энергии используется для поддержания деловой активности.

Оценка работы природных экосистем - еще не решенная проблема. Деньги могут участвовать в расчетах только после того, как природные ресурсы превращены человеком в товар, работа же природы, создающей ресурсы, при этом не оценивается. Деньгами оцениваются только труд человека и затраты по вылову, переработке и продаже рыбы. Работа водоема по производству рыбы обычно не оценивается деньгами. Но общая стоимость полезной работы водоема, рассчитанная посредством энергетического эквивалента денег, окажется выше стоимости собираемых в нем продуктов. Энергия и работа, выполняемая для поддержания биомассы растений и животных в водоеме, очистки и повторного использования воздуха и воды, остаются вне денежной системы. Было высчитано, что если бы оценить стоимость всей полезной работы водоема, выполняемой в течение года, в универсальной «энергетической валюте», а потом перевести в деньги, то 1 га плодородного водоема стоил бы в десятки раз больше, чем снимаемый с него годовой урожай.

Большинство экологов и экономистов согласны с тем, что необходимо преодолеть разрыв между рыночными и нерыночными ценностями, так как обе категории ценностей тесно взаимосвязаны.

Экономическая теория в соединении с правильно понимаемой энергетической теорией позволяет включить «бесплатную» работу природы в разряд экономических ценностей и таким образом повысить экономические системы до уровня экологических.

Мировая экономика в конечном счете зависит от основных природных экосистем - морских, лесных, сельскохозяйственных. По мере того как эти ресурсы истощаются или подвергаются стрессовым воздействиям, начинает страдать и мировая экономика: товары и услуги становятся все дефицитнее, их производство все дороже, что приводит к инфляции во всем мире.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приведите примеры действия двух законов термодинамики в экосистемах.

2. Приведите примеры низкоэнтропийных и высокоэнтропийных экосистем; какие системы более жизнестойкие?

3. Как превращается энергия в цепи генерации электричества?

4. Как можно характеризовать качество энергии?

5. Дайте определение эксергии.

6. Во сколько раз рабочий потенциал ископаемого топлива больше рабочего потенциала солнечного света?

7. Чем характеризуется эффективность энергии в экосистемах?

8. Почему природные системы могут сохранять упорядоченность?

9. При каких видах работ целесообразно использовать солнечную энергию?

10. Какие виды энергии обеспечивают работу автомобиля?

11. Как превращается энергия в пищевой цепи? Нарисуйте схему.

12. Какие трофические уровни в пищевой цепи занимают продуценты и консументы первого, второго и третьего порядков?

13. Какой трофический уровень занимает человек?

14. Какая часть солнечной энергии аккумулируется зелеными растениями?

15. Как формулируется «правило пирамиды»? Чем отличаются пирамиды энергии от пирамид чисел и биомассы?

16. Как изменяется эффективность агроэкосистем с ростом энергозатрат на их поддержание?

17. Дайте определения валовой, чистой и вторичной продукции экосистем.

18. В каком виде поступают энергетические дотации в природные и искусственные экосистемы?

19. Перечислите энергетические типы экосистем.

20. Какой период в развитии цивилизации называется эрой мышечной силы?

21. Как взаимосвязаны потоки энергии и потоки денег?

Вопросы для самостоятельного изучения темы:

1. Живое вещество [3, с. 181-186]

2. Эволюция биосферы [3, с. 186-194]

Литература к теме 3: [1,2, 4-6]