2.7. Классификация экосистем

Наиболее распространены два типа признаков для классификации экосистем – функциональные и структурные.

Примером классификации, основанной на функциональных признаках, можно считать деление экосистем по количеству или качеству поступающей энергии. Использование этого признака удобно по тем соображениям, что энергия является одним из основных компонентов любых экосистем, как природных, так и контролируемых человеком.

Пример классификации, основанной на структурных признаках – деление экосистем по биомам. Биом – совокупность сообществ, возникшая в результате взаимодействия регионального климата, биоты и субстрата. Основа классификации этого типа- заметные, постоянные макроструктурные черты. В наземных экосистемах таким признаком является растительность, которая отражает особенности организмов, климатических, почвенных, гидрологических условий.

В зависимости от природных и климатических условий можно выделить следующие типы природных экосистем (по Ю.Одуму):

Наземные биомы:

-тундра, арктическая и альпийская;

-бореальные хвойные леса;

-листопадный лес умеренной зоны;

-тропический грасленд и саванна;

-чапараль – районы с дождливой зимой и засушливым лесом;

-пустыня; тропическая и кустарниковая;

-полувечнозеленый тропический лес: выраженный влажный и сухой;

-вечнозеленый тропический дождевой лес.

Пресноводные экосистемы:

-лентические (стоячие воды): озера, пруды;

-лотические (текучие воды): реки, ручьи;

-заболоченные угодья: болота и болотистые леса;

Морские экосистемы:

-отрытый океан (пелагическая экосистема);

-воды континентального шельфа (прибрежные воды);

-районы анвеллинга (плодородные районы с продуктивным рыболовством);

-эстуарии (прибрежные бухты, проливы, устья рек, соленые марши и т. д.).

В этой классификации наземные биомы выделяют по естественным или исходным чертам растительности, а типы водных экосистем – по гидрологическим и физическим особенностями.

Тема 3. Энергия в экосистемах

3.1. Бюджет солнечной энергии в экосистеме

Поступающая на поверхность планеты солнечная энергия расходуется в экосистеме. Количество этой энергии очень велико и составляет примерно 55 ккал на 1 кв.см. 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. Из накопленной растениями солнечной энергии сравнительно немного – не более 7-10% - достается растительноядным животным, питающимся живыми растениями. Большую 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.

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 готовиться к использованию энергия углеродистых энергоносителей.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии, имеет несколько формулировок. Одна из них следующая: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). Например, тепло более нагретого предмета рассеивается в более холодной среде. Второй закон термодинамики можно сформулировать и так: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100%. Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера количества связанной энергии, которая становиться недоступной для использования. Этот термин используется и как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.

Второй закон термодинамики – это закон снижения качества энергии. Он объясняет то, как энергия переходит из одной формы в другую. При любом превращении энергии некоторое ее количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию. В соответствии с этим законом растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии, остальная рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание среды экосистемы. Лишь небольшая часть поглощенной растением солнечной энергии расходуется на продукционный процесс. Рассеивание энергии продолжается при дыхании и ее передаче гетеротрофным организмам. 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. Именно поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7-10%.

Тенденция снижения качества распространяется и на ту энергию, которая перешла с одного трофического уровня на другой: после смерти организмы, в теле которых она фиксирована, будут разрушены редуцентами и энергия полностью рассеется.

Важнейшей термодинамической характеристикой организмов, экосистем и биосферы в целом считается способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии. Упорядоченность экосистемы поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно “откачивает” неупорядоченность. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.

Из этих законов термодинамики нет исключений, и любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся им, неизбежно гибнет.

Все разнообразные проявления жизни сопровождаются превращениями энергии, которая в этом случае не создается и не уничтожается. Энергия, которую получает Земля в виде света, уравновешивается энергией, излучаемой с ее поверхности в форме невидимого излучения. Без переноса энергии не было бы жизни на Земле. В случае потери способности добывать и хранить достаточное количество высококачественной энергии человеческое общество стало бы закрытой системой и, в соответствии со вторым законом термодинамики, утратила бы упорядоченность.

Экология изучает связь между светом и экологическими системами, а также способы превращения энергии внутри системы. Следовательно, отношения между растениями-продуцентами и животными-консументами, между хищником и жертвой, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом месте обитания, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных форм в рассеянные. Все системы, как живые, так и неживые (например, автомобиль), регулируются одними и теми же законами термодинамики. Различие состоит в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них доступной энергии, способны самовосстанавливаться и “откачивать” неупорядоченность, а машины приходится чинить, затрачивая энергию из других систем.

При поглощении света каким-либо предметом он нагревается: световая энергия превращается в тепловую. Известно, что и суша, и вода не в одинаковых количествах поглощают солнечную энергию. В результате возникают теплые и холодные области, что является причиной воздушных потоков, которые могут выполнять различного вида работу (вращать электродвигатели, поднимать воду и т.д.). То есть в этом случае энергия света превращается в тепловую энергию земной поверхности, а затем в потенциальную, так как ее можно превратить в другие формы энергии. Энергия, необходимая для создания потока кинетической энергии, называется затраченной. Количество энергии в какой-либо форме всегда пропорциональна количеству той формы энергии, в которую она переходит, поэтому, зная одну величину, можно рассчитать другую. “Потребленная” энергия на самом деле не расходуется, а переходит в состояние с малой возможностью использования. Например, бензин, залитый в бак автомобиля, расходуется, но энергия, заключенная в нем, не исчезает, а превращается в формы, не пригодные для использования в автомобиле.

Согласно второму закону термодинамики любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся. В настоящее время Земля находится в состоянии, далеком от энергетического равновесия. Она имеет большой запас потенциальной энергии, температура ее в разных областях неодинакова, и эти различия поддерживаются постоянным притоком энергии.

Следует отметить, что все известные на Земле природные явления, связанные с непрерывным превращением энергии, представляют собой части общего процесса, который ведет к устойчивому энергетическому равновесию, то есть солнечная энергия, попав на Землю, стремится превратиться в тепловую. Только небольшая ее часть превращается в потенциальную энергию, синтезированную растениями.

Основное количество лучистой энергии превращается в тепло и уходит за пределы биосферы. Остальной живой мир получает потенциальную химическую энергию, созданную растениями и хемосинтезирующими бактериями. Например, животные большую часть поглощенной химической энергии переводят в тепло, а меньшую ее часть превращают в химическую потенциальную энергию вновь созданного органического вещества. На каждом этапе передачи энергии от одного организма к другому значительная ее часть рассеивается в виде тепла. В этом случае при общем снижении доступной энергии качество оставшейся может повыситься.