Роль энергии в экосистеме

Основные понятия, законы и источники

Жизнь – это и форма существования материи, и время существования организма. Она и процессы в клетке и миграция химических элементов. Жизнь в экосистеме – это взаимодействие между организмами, их работа, получившие в физике название энергия. Наша планета состоит из нескольких основных химических элементов и вырабатывает определенное ее количество. Однако недостаточное для жизни. Потому энергетика экосистемы, в основном, строиться на внешнем источнике. Для Земли это Солнце.

В разделе физике – термодинамике, сформулированы основные энергетические законы. Первый из них – сохранения. Она не может возникнуть ниоткуда и исчезнуть. Но может перейти из одной системы в другую или поменять форму. При этих переходах некоторое ее количество рассеивается. Об этом второй закон термодинамики.

Со времен своего рождения наша планета получала огромное ее количество от Солнца. С образованием атмосферы ее количество, достигающее Земли, существенно уменьшилось. До 40%.

Пищевые цепи и их законы

Изначально поступает в экосистемы энергия от Солнца. Это, можно сказать, первичная. Использовать ее на Земле могут только организмы, обладающие способностью к фотосинтезу. А именно высшие растения, водоросли, в том числе сине-зеленые, фотоавтотрофные простейшие и бактерии. Это первый этап, на котором неорганические соединения переходят в состояние органических, то есть те, что могут быть использованы в качестве источника питания для вышестоящих живых организмов.

Зеленые растения из воды, углекислого газа, используя в качестве питания неорганические вещества, принимают солнечную энергию и производят кислород. Растения автотрофы и продуценты или производители. Они стоят на нижнем ярусе пищевой цепи. Надо отметить, что для этих целей растения используют не более 1%, проникающей на Землю через атмосферу.

Сами растения и кислород, выработанный ими, становятся «питанием» и «дыханием» для всех остальных живых организмов. С ними химические элементы и энергия начинают свое «путешествие» по пищевой цепи. В процессе, они будут переходить из одной системы в другую и менять форму.

Попадая на второй пищевой уровень, происходит первое существенное рассеивание. С переходом на каждый последующий, такая потеря будет продолжаться. На более высоком уровне используется не более 10% энергии предыдущего. Такая статистика получила название «Правило десяти процентов». Если его применить и произвести несложный расчет, то количество ступеней в трофической цепи не может превышать шести. Иначе для жизни будет не хватать.

Пищевая цепь состоит из автотрофных и гетеротрофных организмов. Автотрофные – это растения, которые питаются неорганическими соединениями. Все остальные – гетеротрофные. Они потребляют органику и называются консументами или потребителями. Они подразделяются на травоядных и хищников.

Основной пищей хищников являются животные, хотя едят и траву и падаль. Живые организмы, которые питаются только мертвой органикой, называются редуценты или разрушителями. К ним относят грибы, бактерии, микроорганизмы, червей, личинок насекомых. Редуценты – это последние живые организмы, использующие энергию. После них она заканчивает свое движение по пищевой цепи, а органические соединения превращаются в неорганические.

Уменьшаясь, поток энергии в экосистемах тем не менее позволяет живым организмам существовать. Принято это объяснять тем, что у живых организмов, стоящих на более высокой ступени в пищевой цепи, степень усваивания выше. Если травоядные усваивают около 20%, то у хищников этот показатель 75% и более. Травоядным для выживания приходиться поедать значительно больше пищи в количественном выражении, чем хищнику.

Однако часть теряется. Животные дышат, переваривают пищу, отдают энергию в виде тепла в атмосферу и так далее. В науке разработана формула, которая определяет баланс пищи и энергии для отдельного живого организма. В ней количество потребленной равно сумме энергий: дыхания и жизнеобеспечения, в том числе движения, сердцебиения, поддержания температуры и так далее, прироста или запасов в теле, а также остающейся в продуктах выделения.

Виды пищевых цепей

Считается, что поток энергии в экосистемах теряет ее около 90% и на следующий уровень передается всего лишь 10% от объема предыдущего. На основании этого расчета было выведено «Правило 10%». Сторонники этой теории сразу же оговариваются, что это правило не совсем корректно, так как пищевые цепи переплетаются, создавая сети или паутину, но энергия в экосистемах сохраняется и одновременно рассеивается, то есть подчиняется основным законам термодинамики.

Сомнения «Правило 10%», называемой еще «число Линденмана», вызывает уже при первом ее рассмотрении, так как в основе ее лежит предположение, что представители следующего пищевого звена полностью поглощают представителей предыдущего. В жертве, которую съедает хищник, содержится лишь 10% ее энергии. Остальная израсходована на дыхание, поддержание температуры и так далее. То есть он съедает только прирост, если следовать формуле.

Экосистемы Африки заставляют в этом усомниться. Какие хищники охотятся на слонов, носорогов, бегемотов, жирафов или львов? Таких нет. Эти животные в основной своей массе умирают естественным образом или погибают, но не как жертвы охоты. Человека в этом случае в учет не принимаем. Также не подтверждают «10%» любая водная экосистема.

Потерю энергии рассматривают, почему-то для «восходящих» пищевых цепей, которые еще называют цепями выедания, пастбищными или потребления. Это цепи, которые начинаются зелеными растениями, единственным источником энергии их является Солнце, а пищей неорганические соединения и углекислый газ. Завершаются такие цепи гибелью организма, то есть переходом его из состояния живого в неживое органическое вещество.

Любое такое вещество в экосистеме является пищей для живых организмов. Опавшие листья, выделения или трупы животных – все это и многое другие пища для могильщиков или сапрофагов. С этого момента начинается, если можно так назвать «нисходящая» пищевая цепь. В ней также есть потребители – это те же хищники, другие животные, птицы, рыбы, членистоногие и так далее, которые относятся к «могильщикам». В конце этой цепи стоят редуценты – черви, грибы, бактерии, микроорганизмы, превращающие органическое вещество в неорганическое. Такую цепь называют детритной или цепью продуктов распада.

Можно ли к этой цепи применить «Правило 10%» или нет? В любом случае здесь действует закон сохранения, хотя закон ее рассеивания, наверняка преобладает.

Цели миграции элементов

Хочется задать один вопрос. Какая цель движения химических элементов по пищевым цепям? Обычным ответом на этот вопрос будет: «Ради жизни на Земле». И все-таки, исходя из элементарной человеческой логики, если что-то взять, долго носить и принести на тоже место, то в чем тут смысл? Только взопреть? Может быть, в этом и смысл? «Взопреть» или израсходовать как можно больше энергии? Все время существования, все 4 млрд. лет, Земля старалась ограничить ее доступ к себе.

Образовавшаяся атмосфера с защитным озоновым слоем уменьшила ее приток на 60%. А если и этого много? Живые организмы тратят энергию, только для того, чтобы химический элемент совершил оборот по их «желудкам» и вернулся на то же самое место. Возможно, это еще один способ для Земли уменьшить количество энергии? Получается, что жизнь не цель, а средство. Не энергия ради жизни, а жизнь ради энергии, вернее, ее уменьшения.

Но человечество не даст природе этого сделать. Оно стало само генерировать. Искусственную и избыточную. Что сказать? Действительно homo sapiens!

Видео – Пищевые цепи питания в экологии