ДОП.) § 29. Бюджет солнечной энергии в экосистеме

На рис. 47 показано, как расходуется в экосистеме поступающая на поверхность планеты солнечная энергия. Количество этой энергии очень велико и составляет примерно 55 ккал на 1 см² в год. Однако растения фиксируют не более 1–2% солнечной энергии (а в пустынях и в океане – сотые доли процента), остальное затрачивается на нагревание атмосферы, суши и испарение воды. Из накопленной растениями солнечной энергии сравнительно немного – не более 7–10% в наземных экосистемах и до 40% в водных – достается растительноядным животным, питающимся живыми растениями. Остальную ее часть используют симбиотрофы (бактерии и грибы), которые получают питание из корней растений, выделяющих в почву углеводы (или живут непосредственно в корне), и детритофаги и редуценты, питающиеся отмершими растениями.

С повышением трофического уровня одновременно растут и полнота выедания в живом состоянии, и усвоение энергии из потребленной пищи. Так, крупные хищники выедают до 70% своих жертв, а усвоение энергии при этом достигает 30-60%.

Таким образом, если большая часть биомассы растений (особенно в наземных экосистемах) потребляется детритофагами и редуцентами в отмершем состоянии, то основная часть биомассы животных (кроме крупных хищников, которые завершают пищевые цепи и не имеют естественных врагов) съедается в живом состоянии. Крупные хищники умирают от болезней, и их биомасса становится пищей детритофагов и редуцентов.

На снимках, сделанных из космоса, наземные экосистемы имеют зеленый цвет, а водные – голубой. Если бы фитофаги водных экосистем работали также «плохо», как в наземных, то водные экосистемы на космоснимках были бы тоже зелеными.

Контрольные вопросы

1. Какую часть солнечной энергии могут усвоить растения экосистемы в процессе фотосинтеза?

2. Какая часть солнечной энергии тратится на поддержание круговорота воды в биосфере?

3. Какова судьба солнечной энергии, зафиксированной растением в процессе фотосинтеза?

4. Какая часть биомассы растений съедается в живом состоянии в наземных и водных экосистемах?

5. Каковы закономерности перехода энергии по пищевым цепям с повышением трофического уровня?

Справочный материал

Для понимания процессов превращения энергии в экосистеме полезны законы термодинамики, которые сформулированы физиками.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому энергия в экосистеме не может появиться сама собой, а поступает в нее извне – от Солнца или в результате химических реакций неорганических веществ. В гетеротрофные антропогенные экосистемы энергия поступает от специальных энергетических устройств, на которых получается электрическая энергия или с углеродистыми энергоносителями.

Второй закон термодинамики – о снижении качества энергии. При любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную, энергию. Так, лишь часть поглощенной растением солнечной энергии расходуется на продукционный процесс, остальная рассеивается при дыхании в виде тепла. При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов и симбиотрофов), третий (хищников первого порядка) и т.д. значительное ее количество также рассеивается и снижает свое качество.

В антропогенных экосистемах – сельскохозяйственных, городских, промышленных – человек стремится уменьшить бесполезное рассеивание дорогостоящей энергии.

В соответствии с законами термодинамики экосистема и входящие в ее состав организмы существуют до тех пор, пока поступает энергия извне. Однократное использование энергии, протекающей через экосистему (и круговорот веществ) – основной закон функционирования экосистемы

Понять действие законов термодинамики несложно на примерах-аналогиях. Так, для нагревания чайника с водой необходима энергия. Если для этого используется газовая плита, то при нагревании воды более качественная энергия газа переходит в тепловую, часть которой идет на нагревание воды, а часть рассеивается в окружающее пространство. Если газ выключить, то вода в чайнике начнет остывать, и так будет до тех пор, пока ее температура не сравняется с температурой окружающего воздуха. (Вот почему второй закон термодинамики называют еще «законом выравнивания энергии».)