42. Энергия в экосистеме. Законы термодинамики и применение их в экологии. Правило экологических пирамид.
Сообщества и экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим свою энтропию и увеличивая энтропию вне сообщества или экосистемы.
Законы термодинамики
Первый закон – энергия может переходить из одной формы в другую, но не исчезает и не создается заново.
Второй закон – эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда менее 100%
Энтропия - мера количества связанной энергии, которая рассеивается и становится недоступной для использования.
Важное свойство экосистем – способность создавать и поддерживать высокую степень упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией.
Главные задачи термодинамики применительно к биологии и экологии состоят в том, чтобы
показать, что законы термодинамики применимы к описанию процессов в живых организмах и системах;
понять термодинамические принципы функционирования биологических систем;
на основе этого понимания разработать концепции достижения устойчивости экосистем и биосферы в целом;
разработка на основе биоэнергетических принципов новых технических устройств, предназначенных для усвоения, хранения и трансформации энергии [БИОНИКА - это наука о создании искусственных систем, обладающих некоторыми характеристиками живых систем.]
Продуктивность экосистем – это скорость, с которой живые организмы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. (Количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади или объёма).
Валовая первичная продукция - количество вещества, которое создается растениями за единицу времени при данной скорости фотосинтеза.
Продукцию ограничивают или неблагоприятные климатические факторы (мало тепла, влаги) или нехватка биогенных элементов. Часть продукции уходит на поддержание жизнедеятельности самих растений (затраты на дыхание). Оставшаяся часть созданной органической массы характеризует чистую продукцию (энергетический резерв для консументов и редуцентов).
Вторичная продукция не делится на валовую и чистую. Её рассчитывают отдельно для каждого трофического уровня, так как она формируется за счет энергии, поступающей с предшествующего уровня. Вторичная продукция не может быть больше первичной или даже равной ей.
Правило экологических пирамид. Общая биомасса, продукция и энергия прогрессивно уменьшаются по мере перехода на более высокие трофические уровни.
Типы экологических пирамид:
Пирамида чисел, отражает численность организмов на каждом уровне (пирамида Элтона). Количество особей, составляющих последовательный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьшается.
Для уравновешивания массы большого тела необходимо много маленьких тел.
От низших трофических уровней к высшим теряется количество энергии.
Обратная зависимость метаболизма от размера особей.
В любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее.
Для всякого хищного животного существуют нижний и верхний пределы размеров их жертв.
Пирамида биомассы, характеризует массу живого вещества, - общий сухой вес, калорийность и т.д. Суммарная масса растений превышает массу всех травоядных, а их масса превышает всю биомассу хищников.
Пирамида продукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показывает изменение первичной продукции (или энергии) на последовательных трофических уровнях (на каждом следующем трофическом уровне количество биомассы меньше)
Следующий трофический уровень может пропустить через себя лишь часть энергии, усвоенной предыдущим уровнем.
Расход энергии:
Не вся растительная биомасса съедается.
Не вся съеденная биомасса ассимилируется и переходит в биомассу консумента.
Не вся ассимилированная энергия превращается затем в биомассу более высокого трофического уровня.
Процесс передачи энергии не является замкнутым.