Экожүйелердің энергетикасы.

Энергия – материяның барлық түрлерінің өзараа әсері мен қозғалысының жалпы сандық өлшемі. Ол табиғат құбылыстарын біріктіреді. Жүйедегі энергияның өзгеруі жұмыс орындалған кезде жүреді.

Термодинамиканың бірінші заңы – энергияның сақталу заңы – табиғатттағы энергия жоқтан пайда болмайды, жоғалып кетпейді. Ол тек бір түрден екінші түрге айналады. Ал энергия мөлшері тұрақты болып қалады. Бұл заңға табиғатта белгілі барлық процестер бағынады.

Термодинамиканың екінші заңы бойынша энергияның өзгерістерімен байланысты процестер тек энергия концентрленген түрден таралған күйге өткенде ғана өздігінен жүре алады (мысалы, ыстық заттың жылуы суық ортада өздігінен таралады). Энергияның қандай да бір бөлігі пайдалануға болмайтын түрде таралғандықтан энергияның өздігінен өзнеруінің тиімділігі барлық уақытта 100%-дан кем болады.

Тірі жүйелердің маңызды термодинамикалық сипаттапмасы олардың ішкі реттілігінің жоғары дәрежеде болуы. Ол энтропиямен сипатталады және S әрпімен белгіленеді. Ішкі реттілігі мен ұйымдасуы жоғары жүйелердің энтропиясы төмен, ал керісінше тепе-теңдіктегі жүйелердің энтропия шамасы жоғары болады.

Термодинамикалфқ тұрғыдан экожүйелер қоршаған ортамен үнемі зат және энергиямен алмасып отыратын және осы арқылы ішкі энтропиясын төмендетіп, сыртқы энергиясын арттыратын ашық, тепе-теңдігі жоқ жүйе болып табылады.

1935 жылы атақты биолог Э. Бауэр былай деді: «Тірі жүйелер еш уақытта тепе-теңдікте болмайды және өзінің бос энергиясы есебінен үнемі сыртқы орта жағдайларына сай физика мен химия заңдары талап ететін тепе-теңдікке қарсы жұмыс жасайды. Бұл принципті тірі жүйелердің тұрақты теңсіздік принципі деп атайды. Бұл принцип тірі ағзалардың ашық теңсіздіктегі жүйе екендігін көрсетеді. Олардың өлі жүйелерден ерекшелігі, олар энтропияның төмендеуі бағытында дамиды.

Экожүйелердің ұйымдасу заңдары

Биоценоздардағы тірі ағзалар тек бір-бірімен емес, өлі табиғатпен де тығыз байланысты. Бұл байланыс зат және энергия айналымы арқылы көрінеді. Қоректік заттарда жасуша мен мүшелердің жұмысына қажетті энергия болады. Өсімдіктер күн энергиясын тікелей сіңіріп, оны органикалық қосылыстардың химиялық байланысында қорға жинайды. Кейін ол биоценоздағы қоректік қатынастар арқылы қайта бөлінеді.

Тірі ағзалар арқылы жүретін зат пен энергия ағысы өте үлкен. Мысалы, адам өз өмірінде ондаған тонна тамақ пен суды, өкпесі арқылы көптеген миллион литр ауаны пайдаланады. Көптеген ағзалардың қоршаған ортамен өзара әсері одан да интенсивті болады.

Өсімдіктер өз денесінің әсбір грамын түзу үшін 200-800 грамға дейін су жұмсайды. Фотосинтезге қажетті заттарды өсімдіктер топырақтан, судан және ауадан алады.

Мұндай жылдамдықпен бейорганикалық табиғаттан тірі заттарға қажетті биогенді элементтердің ағысы жүріп отыратын болса, Жердегі олардың қоры әлдеқашан таусылар еді. Бірақ, биогенді элементтердің үнемі қоршаған ортаға қайтарылып отыруына байланысты, өмір жалғасып келеді. Биоценоздағы түрлердің арасындағы қоректік қатынастардың нәтижесінде өсімдіктер синтездеген органикалық заттар, өсімдіктер қайта пайдалана алатын қосылыстарға дейін ыдырацды. Бұл процесс биологиялық зат алмасу деп аталады.

Биоценоз қоршаған ортамен заттық-энергиялық байланыссыз тіршілік ете алмайды.

Экожүйеде төмендегі 4 негізгі құрам бөліктер болған жағдайда ған зат алмасуды қамтамасыз ете алады. Олар – биогенді элементтердің қоры, өндірушілер, консументтер және редуценттер.

Тірі ағзалардың қоректену типтері мен энергия өзгерту механизмдері. Қоректену әдісіне байланысты барлық ағзалар автрофтар және гетеротрофтар болып бөлінеді.

Автотрофтар(грек тілінен аударғанда өзі) – бейорганикалық заттардың органикалық заттарға айналуын жүзеге асырады.

Гетеротрофтар (грек тілінен аударғанда әр түрлі) – дайын органикалық заттармен қоректенеді.

Аралас қоректену әдісі тән тірі ағзаларды П. Пфеффер миксотрофтар (ағылшын тілінен аударғанда араластыру) деп атады. Бейорганикалық заттарды органикалық заттарға айналдыру механизмі бойынша автотрофтарды фототрофтар мен хемотрофтарға бөледі.

Фототрофтар (фотосинтез) – жасыл өсімдіктер көк жасыл балдырлар.

Хемотрофтар (хемосинтез) – күкірт бактериялары және т.б.

Дж. М. Андерсонның қазіргі кездегі жүйеленуіне сай гетеротрофтарды үш категорияға бөледі: некротрофтар, биотрофтар және сапроторфтар.

Некротрофтар (грек тілінен аударғанда өлі) – қоректену объектісін өлтіреді (адам, жыртқыш).

Биотрофар (грек тілінен аударғанда – тірі) – басқа тірі ағзалар есебінен қоректенетін ағзалар (паразиттер, қансорғыштар).

Сапротрофтар (грек тілінен аударғанда – шірік) - өлген органикалық затпен қоректенеді.

Жерде пайда болған алғашқы ағзалар гетерофтрофтар болған, егер автотрофтар пайда болмағанда олар өзін-өзі жойып жіберетін еді. Осы топтардың пайда болуы қарапайым зат алмасудың болуына мүмкіндік берді:

Автотрофтар Гетеротрофтар

Автотрофтар органикалық затты синтездейді, ал гетеротрофтар оларды пайдаланады. Бұл процестің барысында органикалық заттың ыдырауы жүреді. Егер ыдырау өнімдерін қайтадан автотрофтар пайдаланса, онда экожүйедегі ағзалар арасында зат пен энергия айналымы түзіледі. Күн энергиясы пайдалана отырып атмосфера, су және топырақ заттарынан өсімдіктер органикалық қосылыстар түзеді. Бұл қосылыстар өсімдіктер үшін құрылыс материалы болып табылады. Олардан өсімдіктердің ұлпалары құралады және олар өсімдіктердің тіршілік функциаларын қамтамасыз ететін энергия көзі болып табылады.

Гетеротрофтар органикалық заттарды бастапқы компонеттерге: көмірқышқылы газы (ІҮ), су, нитраттар, фосфаттар және т.б. дейін ыдырата отырып, оларда қорға жиналған химиялық энергияны босатып шығарады.

Экожүйедегі ағзалар трофтық (қоректік) байланыстарына қарай өндірушілер, консумнттер мен редуценттерге бөлінеді.

Өндірушілер (бірінші ретті өнімді өндірушілер) – автотрофты ағзала – планетаның бүкіл тірі дүниесін органикалық затпен қамтамасыз ететін жасыл өсімдіктердің жинағы.

Консументтер (латын тілінен аударғанда – пайдалану) – гетеротрофты ағзалар, өндірушілер жануарлар, микроорганизмдердің көпшілігі, бунақдене- қоректі өсімдіктер жатады. Консументтер бейорганикалық заттардан органикалық зат түзбейді, бірақ бір органикалық затты басқа затқа айналдырады.

Редуценттер (латын тілінен аудар,анда – қалпына келтіруші, деструкторлар) органикалық заттарды ыдыратушы және оларды бейорганикалық заттарға айналдырушыағзалар. Редуценттерге бактериялар, саңырауқұлақтар, сацпрофагтар, конпрофагтар, некрофагтар және т.б. жатады. Олар заттардың биологиялық айналымының соңғы звеносы болып табылады. (11-сурет).

11-сурет. Экожүйедегі зат пен энергия тасымалдануының сызбанұсқасы

Тундралық, орманды, далалық, шөлді және тропиктік бірлестіктердің әрқайссынң өзіне тән биологиялық айналымы мен қорша,ан ортамен байланысы болады. Су экожүйелері де ауқымы бойынша да, тіршілік ету жағдайлары бойынша да: судың тұздылығы, су қоймасының тереңдігі, судың мөлдірлігі, күн энергиясының түсуі бойынша да алуан түрлі болып келеді. Бұлардың барлығы биологиялық айналымның жылдамдығына да, циклге қатысатын заттардың жалпы санына да әсер етеді.

Экожүйелердің тұрақтылығының негізге принципі – энергия ағымымен ұсталып тұратын зат айналымы – Жердегі мәңгі тіршілікті қамтамасыз етеді.

Бұл принцип бойынша тұрақты жасанды экожүйелер, өндірістік технологиялар ұйымдастырылауы мүмкін. Биоценоздағы ғзалардың үйлескен қызметінің бұзылуы, әдетте, экожүйедегі зат алмасуыдың өзгеруіне әкеліп соқтырады. Бұл топырақ құнарлылығының, өсімдіктердің өнімділігінің, жануарлардың өсуі мен өнімділігінің төмендеуіне, табиғи ортаның біртіндеп бұзылуының негізгі себебі болып абылады.

Экожүйенің трофтық құрылымы. Энергия тасымалдау кезінде қоректік тізбектердегі қатынастар нәтижесінде әрбір бірлестік белгілі бір трофтық құрылымға ие болады.

Жалпы жағдайда трофтық құрылымды кезекті трофтық деңгейлердегі уақыт бірлігіндегі аудан бірлігіне шаққан энергия шамасымен анықтауға болады. Оларды экологиялық пирамида түрінде кескіндеуге болады. Бұл құбылысты зерттеген Ч. Элтон (1927ж.) экологиялық пирамиданың үш негізгі типін бөліп көрсететді (12-сурет).

Сандар пирамидасы Биомасса пирамидасы Энергия пирамидасы

(аудан бірлігіндегі (биомассаның құрғақ (Дж/ м², жыл)

даралар саны) салмағы г/м²)

12-сурет. Экологиялық пирамданың типтері

1.Сандар пирамидасы (м²/даралар саны) әр түрлі трофтық деңгейдегі ағзалардың санын көрсетеді. Орманның жайылымдық қоректік тізбегінде, продуцент – ағаш, ал бірінші ретті консумент – бунақ денелілер болғанда, бірінші реттік консументтердің деңгейі саны жағынан өндірушілер деңгейімен салыстырғанға байланысты. Бұл кезде сандар пиамидасы кері болады.

2. Биомассалар пирамидасы әр түрлі торфтық деңгейдегі тірі заттың жалпы құрғақ массасын сипаттайды (органикалық заттардың құрғақ массасы г/ м²). Өндірушілері өте ұсақ және консументтері ірі болған экожүйелерде соңғысының жалпы массасы барлық кезде продуценттердің жалпы массасынан жоғары болады, яғни биомасса пирамидасы да кері болады.

3. Энергия пирамидасы (Дж/ м² жыл) кезекті трофтық деңгейлердегі энергия ағынының шамасын немесе «өнімділігін» көрсетеді. Энергетикалық пирамида барлық кезде жоғары қарай сүйірленеді. Бірақ тамақпен бірге жұйеге түсетін барлық энергия көздері есепке алынуы керек.

Қоректік тізбектер мен қоректік торлардың түзілуі. Биоценоздардағы қоректік торлар көптеген қысқа қатарлардан түзіледі. Бұл қатарларда ағзалар бір-біріне заттар мен жасыл өсімдіктер жинаған энергияны беріп отырады. Алдыңғы түр келесі түр үшін азық болып табылатын мұндай қатарларды қоректену тізбегі деп атайды. Қоректену тізбегінің жеке звенолары трофтқ деңгейлер деп аталады.

Күннен энергияны бірдей сатылар арқылы алатын ағзалар бір трофтық деңгейге жатады. Жасыл өсімдіктер (автотрофтар) бірінші трофтық, екінші – бірінші ретті консументтер, биоқоректілермен қоректенетін бірінші реттік жыртқыштар-үшінші (екінші реттік консументтер), екінші ретті жыртқыштар – төртінші (3-ші ретті консументтер) деңгейді құайды (13-сурет).

13-сурет. Трофтық деңгейлер және қоректену пирамидасының сызбанұсқасы.

Қоректік тізбектердің екі түрін: жайылымдық және детритті бөліп көрсетуге болады:

Жайылымдық тізбек

Жасыл өсімдік шөпқоректі жануарлар жыртқыш

(қоян) (түлкі)

Детритті тізбек

Ө лген органикалық микроорганизмдер

(бактериялар, саңырауқұлақтар)

з ат (детрит) детритофагтар детритофагтардың

(қосжақтаулы моллюскалар,жауынқұрттар жыртқыштары

бунақденелілердің дернәсілдері) (құстар,жертесерлер

және т.б.)

Қоректік тізбектер бір-бірімен тығыз байланысты. Олар қоректену торын түзеді. Әр өндірушіден (продуцент) бірнеше консумент болады. Ал консументтердің көпшілігі полифагтар (грек тілінен аударғанда – көп), яғни бір емес, бірнеше қоректену көзін пайдаланады.

Көптеген түрлер әр түрлі қоректік тізбектерге кіруі және әр түрлі орында болуы мүмкін. Мысалы, аюлар өсімдіктермен де, жануарлармен де, өлекселермен де қоректенеді. Олар трофтық қатынастармен, көптеген жануарлар мен өсімдіктердің түрлерімен байланысқан. Қоректік тізбектер табиғатта күрделі шиеленісіп кеткен.

Нақты қоректік тізбектерде өсімдік текті тамақтағы энергияның берілетін мөлшерін есептеуге және тасымалдауын бақылауға болады.