Тема 3. Энергия в экосистемах (2ч)
Содержание темы 3:
Законы преобразования энергии. Формы и качество энергии. Поток энергии и продуктивность экосистемы. Энергетические типы экосистем. Энергия и деньги.
Лекция № 3 Энергия в экосистемах (2 ч ).
Содержание лекции № 3:
Законы преобразования энергии. Формы и качество энергии. Поток энергии и продуктивность экосистемы. Энергетические типы экосистем. Энергия и деньги.
3.1 Законы преобразования энергии
Энергия (гр. energeia - деятельность) - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами.
Энергия - одно из основных свойств материи - способность производить работу; в широком смысле - сила.
Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия - движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.
Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Но для управления энергетическими процессами, прежде всего, необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем. Проекты, связанные с изменением окружающей среды, также необходимо оценивать с позиций энергоэффективности. Например, не всякая переработка отходов нужна, поскольку некоторое количество отбросов является энергетическими ресурсами биосферы. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни наиболее соответствует природным возможностям. Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия - это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические - оценивать с позиций экологии. Несмотря на огромное разнообразие природных систем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.
Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики.
Солнечная энергия Qcолн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной (отраженной и тепловой) и концентрированной (фотосинтезируемого вещества) формами энергии: Qcолн = qpacc + qконц.
Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.
Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.
Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qкон < Qcолн). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу (рис. 3.1).
Рисунок 3.1- Действие законов термодинамики при фотосинтезе: Qcолн = qpacc + qконц - первый закон; qконц < Qcолн - второй закон
Второй закон термодинамики утверждает: любой вид энергии в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.
Отношения между растениями - продуцентами и животными - консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами.
Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.
Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую - в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.
Для всех энергетических процессов, в том числе и технологических, характерен переход от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»). Эту тенденцию потенциальной энергии к деградации выражают термином возрастания энтропии. .
Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования.
Одновременно энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок. Структуры, наделенные порядком, обладают низкой энтропией.
Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют и живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться, а машины приходится ремонтировать, используя внешнюю энергию. «Потребленная» энергия не исчезает: бензин, например, расходуется в автомобиле, но энергия, содержащаяся в нем, не исчезает, а превращается в формы, уже практически недоступные для использования.