И.В. Бурковский - Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистем (1119242), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

И Вселенная и биосфераи все экосистемы более низкого порядка — открытые системы: они обменива­ются энергией и/или веществом с окружающей средой и находятся, как прави­ло, в состоянии далеком от термодинамического равновесия. А развитие такихсистем, как теперь известно, протекает путем образования нарастающей упоря­доченности, т.е.

снижения энтропии (самоорганизация вещественных систем —Пригожий, 1985). Биологические системы не только открыты, но и существуютпотому, что они открыты: их питают потоки вещества и энергии, которые поступа­ют извне. Если закрытые системы эволюционируют к хаосу (согласно законамтермодинамики), то открытые, напротив, — к возрастающей сложности.Глава 1. Экологическая система23Для открытой системы, обменивающейся с окружающей средой, потокэнтропии может быть положителен или отрицателен, в зависимости от конкрет­ной ситуации; поэтому существуют обратимость процессов.Всё разнообразие наблюдаемых макроскопических процессов представ­ляет собой различные виды распада начальных упорядоченных состояний ве­щества и диссипации (высвобождения и рассеяния) содержащейся в ней энер­гии.

Совокупность существующих богатых энергией состояний вещества со­ставляет энергетические ресурсы Земли. Кинетическая энергия заключена вскоррелированном движении различных частей вещества (солнечная энергия,гидроэнергия, приливно-отливная, ветровая и т.д.). Потенциальная энергия со­держится в скоррелированных связях различных частей вещества (гравитация,химическая, ядерная, в виде скрытой теплоты конденсации и замерзания воды).При протекании процессов распада, все виды потенциальной энергии сначалапереходят в кинетическую энергию упорядоченных движений, которая затемподвергается диссипации в виде тепловой энергии хаотического движения от­дельных молекул.

Распад происходит в том случае, если возможен переход изначального состояния в большое число конечных состояний. Это и есть пере­ход от упорядоченности к хаосу. Упорядоченность и хаос — два непременныхсостояния материи и энергии. Структура и хаос взаимообратимы.Поддержание упорядоченности возможно при условии, если существуетприток энергии от другого упорядоченного процесса (за счет извне).

Реки текутпотому, что непрерывно выпадают осадки (цикл: осадки — испарение — обла­ка — конденсация — осадки). И всё это, потому что Земля получает солнечнуюэнергию (за счет извне: из космоса). Именно она (солнечная энергия) на Землегенерирует все виды упорядоченных макроскопических процессов. Конечноетепло после распада концентрированной энергии уходит в космос. Земля по­добно вампиру поддерживает собственную упорядоченность за счет энергииКосмоса, а отдает тепло, провоцируя хаос во Вселенной (аналогична и рольЧеловека в биосфере). Конечным результатом распада является минимум по­тенциальной энергии. Но при малой скорости диссипации могут происходитьобратные процессы перехода упорядоченной кинетической энергии в потенци­альную, которая может накапливаться.

Например, в атмосфере накапливаетсяскрытая энергия конденсации влаги при испарении воды, в веществе растенийконцентрируется солнечная энергия и др.В самом общем виде, то что было сказано об энергии в физических систе­мах, применимо и к экологическим системам. Большая часть кинетической энер­гии организована в потоке, мигрируя от наиболее концентрированной к наибо­лее рассеянной форме. Специфика экологических систем в том, что энергия,заключенная в живом веществе (потенциальная) циркулирует вместе с веще­ством, переходя при распаде из органических соединений в неорганические (се­роводород, углекислота, аммиак и др.), а затем с первичной продукцией вновьвозвращаясь в органические вещества и в пищевую цепь; при этом ее большаячасть теряется в виде тепла (аналогия с испарением и конденсацией в физичес-24И.В.

Бурковский. Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистемкой системе). Реализуется цикл: живое вещество - деструкция - неорганичес­кие соединения - синтез — живое вещество.Все процессы в экосистеме связаны с превращениями энергии. Таким об­разом, энергетический поток — движущая, организующая, интегрирующая инаправляющая сила в экосистеме. Более того, эволюцию живого можно рас­сматривать как освоение (в результате приспособления и конкуренции) орга­низмами различных источников энергии (пищи).Энергетический поток в организме. Общая схема этого потока проста:энергия пищи — распад — энергия на дыхание и продукцию.

Все живые орга­низмы существуют за счет потребления внешнего потока энергии — питания.Как и у физических систем динамического равновесия, питание обеспечиваетреакции биохимического распада энергии внутри организма (Горшков, 1990).Упорядоченность реакций распада индуцируется катализаторами, которые син­тезируются организмом. С помощью синтеза соответствующих катализаторов,который запрограммирован в ДНК, организм управляет всеми биохимически­ми реакциями, происходящими внутри него, обеспечивая распад потребляемойэнергии по строго определенным каналам реакций.

После смерти организма,прекращается синтез катализаторов, и управляемые химические реакции оста­навливаются, начинается медленный хаотический спонтанный распад накоп­ленной химической энергии по всем возможным каналам. Смерть — это хаос сфизической точки зрения. Разложение мертвых тел ускоряется деятельностьюбактерий и других организмов, использующих вещество и энергию трупов.Энергетический поток в экосистеме. Полноценное сообщество представ­лено совокупностью особей разных видов, разных размеров, разных пищевых пред­почтений, благодаря чему оно выстраивается в трофический ряд по принципу пищапотребитель, образуя многоуровневую (иерархическую) трофическую структуру.Количество трофических уровней ограничено; оно определяется величи­ной первичной продукции (начальной энергией от автотрофов), эффективнос­тью прохождения энергии по цепям питания, долей циклической (возвращаю­щейся) энергии и обычно не превышает 5-6.Эффективность использования энергии, оцениваемая через удельную про­дукцию — продукция/биомасса, удельный рацион — рацион/биомасса, удель­ный обмен — дыхание/биомасса за единицу внутреннего (биологического) вре­мени (за индивидуальную жизнь или ее определенную часть), у разных орга­низмов одинакова.

Это означает, что разные по систематическому положению,дефинитивным размерам и продолжительности жизни животные за период раз­вития ассимилируют одинаковое количество энергии в расчете на энергетичес­кую ценность единицы их дефинитивной массы. Например, свободноживущиеинфузории разной массы (от 800 до 500 000 нг) в сопоставимых условиях по­требляют за индивидуальную жизнь 270% собственной массы, выраженной вэнергетических единицах. Это позволяет суммировать данные по особям прирасчете используемой энергии в популяции и в целом сообществе. Различиямежду удельными величинами для популяций и сообществ состоят в том, чтоГлава 1.

Экологическая система25Рис. 2. Схема потока энергии в простых и сложных экосистемах (орип).при расчетах продукции сообществ учитывается соотношение в них животных,относящихся к разным трофическим уровням, в то время как в популяциях обыч­но принимается во внимание только их размерная или возрастная структура(Алимов, 2000).Потери энергии с переходом с одного трофического уровня на другой всреднем составляют около 90%; эта энергия расходуется в основном на поддер­жание упорядочности системы организмов и переходит в тепло. На уровне од­ноклеточных гетеротрофов потери составляют менее 50%, т.к. поддержаниеупорядоченности структуры этих относительно простых организмов не требу­ет много энергии (в основном идет на циклоз пищеварительных вакуолей); науровне высших многоклеточных — потери существенно большие: от 70% у бес­позвоночных, до 99% у рыб.Усложнение биологических систем, которое происходит каждый раз за счетувеличения доли высокоорганизованных животных (своеобразный «снежныйком» в центре которого одноклеточные, на периферии — многоклеточные всеболее возрастающих размеров и сложности), сопровождается увеличением об­щего удельного потока энергии (на единицу массы живого вещества) и умень­шением эффективности использования животными энергии, заключенной в ас­симилированной пище, на образование продукции.

Характеристики

Список файлов книги