Экология: конспект лекций - [3]
1.2. Энергия в экологических системах
Одной из задач экологии является изучение превращения энергии внутри экологической системы. Усваивая солнечную энергию, зеленые растения создают потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы. Превращения энергии в отличие от цикличного движения веществ идут в одном направлении, почему и говорят о потоке энергии.
С точки зрения изучения потоков энергии важны два начала термодинамики. Первое начало гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Второе начало формулируется таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную. То, что согласно второму началу энергия при любых превращениях стремится перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, дало основания говорить о «старении» Солнечной системы. Характерна ли эта тенденция к энергетическому выравниванию для всей Вселенной, пока не ясно, хотя в XIX веке широко обсуждался вопрос о «тепловой смерти Вселенной».
Общепринятая в физике формулировка второго начала гласит, что в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т. е. система стремится к состоянию максимальной энтропии. Отличительной же особенностью живых тел, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояния с низкой энтропией.
По определению Э. Шредингера, «жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время... средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. В самом деле, у высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях служит им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в деградированной форме, однако не вполне деградированной, так как их еще могут употреблять растения. Для растений мощным источником „отрицательной энтропии“, конечно, является солнечный свет» (Э. Шредингер. Что такое жизнь? С точки зрения физика. М., 1972, с. 71, 76).
Свойство живых систем извлекать упорядоченность из окружающей среды дало основания некоторым ученым, в частности Э. Бауэру, сделать вывод, что для этих систем второе начало не выполняется. Но второе начало имеет еще и другую, более общую формулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит, что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100 %. В соответствии со вторым началом поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно. «Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию, и, таким образом, приближается к опасному состоянию – максимальной энтропии, – представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т. е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию» (Там же, с. 76).
В экосистемах перенос энергии пищи от ее источника – растений через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, и называется пищевой цепью. При каждом очередном переносе большая часть (80–90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.
Это ограничивает возможное число звеньев цепи до четырех-пяти. Зеленые растения занимают первый трофический уровень, травоядные – второй, хищники – третий и т. д. Переход к каждому следующему звену уменьшает доступную энергию примерно в 10 раз. Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительное содержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можно прокормить.
Экологическая пирамида, представляющая собой трофическую структуру, основанием которой служит уровень продуцентов, а последующие уровни образуют ее этажи и вершину, может быть трех основных типов: «1) пирамида чисел, отражающая численность отдельных организмов; 2) пирамида биомассы, характеризующая общий сухой вес, калорийность или другую меру общего количества живого вещества; 3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии и (или) „продуктивность“ на последовательных трофических уровнях» (Ю. Одум. Основы... с. 105). Энергетическая пирамида всегда сужается кверху, поскольку энергия теряется на каждом последующем уровне.
Важнейшей характеристикой экосистемы является ее продуктивность, под которой понимается как рост организмов, так и создание органического вещества. Поглощается лишь около половины всей лучистой энергии (в основном в видимой части спектра), и самое большое около 5 % ее в самых благоприятных условиях превращается в продукт фотосинтеза. Значительная часть (не менее 20 %, а обычно около 50 %) этой потенциальной пищи (чистой продукции) человека и животных расходуется на дыхание растений. Содержание хлорофилла на 1 м2в разных сообществах примерно одинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределено более равномерно, чем в отдельных растениях или их частях.
![Основы философии](/storage/book-covers/02/02e8fb0857b2e452d5fa1d84c8868e5f4102c16f.jpg)
В учебнике в доступной форме представлена философия как отрасль культуры, охарактеризованы ее основные проблемы в их становлении, начиная с Античности и до XX в. включительно: природа человека и смысл его существования, человек и Бог, наука и ее роль и др. Курс разбит на два раздела: первый посвящен историческому развитию философии, а второй — ее специфике, методам, внутреннему строению. Для студентов средних профессиональных учебных заведений. Может быть интересен всем, увлекающимся философией.
![История мировых религий](/storage/book-covers/d0/d0175697ee773010f596408ee81f8dd8b9865e08.jpg)
«История мировых религий» – обязательный предмет для некоторых специальностей высших учебных заведений. В учебном пособии рассматриваются история происхождения религии, мистические и мифологические предпосылки возникновения религии как отрасли культуры, основные мировые религии – буддизм, христианство, ислам. Особое внимание уделяется моральным аспектам религиозных верований. Книга снабжена вопросами для повторения и списком дополнительной литературы по каждой теме, а также перечнем тем для контрольных работ и рефератов, вопросами к зачетам и экзаменам и словарем терминов и персоналий.Для студентов, преподавателей и всех интересующихся религиозными проблемами.
![История мировой культуры](/storage/book-covers/e2/e27e2fdd2b8864cab926db633e05df7d79e704e0.jpg)
Пособие написано в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта и охватывает все необходимые программные темы. Книга направлена на создание у студентов целостного представления о культуре (материальной и духовной), ее сущности, месте и роли в человеческом обществе, закономерностях ее развития. Особое внимание уделено значению для культуры искусства, философии и религии. Анализируются причины становления множества культур. Каждая глава сопровождается вопросами для повторения и списком необходимой литературы.
![Энциклопедия «Биология». Часть 2. М – Я (с иллюстрациями)](/storage/book-covers/59/59bf84e3aca98b460761c5d16f6d62dc19333508.jpg)
Книга представляет собой научно-популярное справочное издание, включающее более 2000 статей по всем разделам биологии: ботанике, зоологии, генетике, цитологии, анатомии и морфологии, экологии и др. Содержит также статьи о домашних питомцах, основах медицинских знаний и др. Предназначена для школьников и всех интересующихся живой природой.
![Металлы в живых организмах](/storage/book-covers/9f/9fd6f6dc464acb15230faffb3a75ac8dd47aba68.jpg)
В научно-популярной форме автор рассказывает о роли металлов в биохимических процессах, протекающих в живых организмах. Книга будет способствовать расширению кругозора учащихся.
![Роль движений глаз в процессе зрения](/build/oblozhka.dc6e36b8.jpg)
В книге рассказывается история главного героя, который сталкивается с различными проблемами и препятствиями на протяжении всего своего путешествия. По пути он встречает множество второстепенных персонажей, которые играют важные роли в истории. Благодаря опыту главного героя книга исследует такие темы, как любовь, потеря, надежда и стойкость. По мере того, как главный герой преодолевает свои трудности, он усваивает ценные уроки жизни и растет как личность.
![Acacia mangium - быстрорастущее дерево для тропической плантации](/storage/book-covers/a4/a47ddc71aed0aa0708c52d35c6e900c63a90a965.jpg)
Acacia mangium — это быстрорастущее тропическое вечнозеленое дерево, которое при благоприятных условиях может вырасти до 30 м в высоту и до 50 см в толщину. Низинный вид, связанный с окраинами тропических лесов и нарушенными, хорошо дренированными кислыми почвами. Аборигенное растение для Папуа, Западной Ириан-Джайи и Молуккских островов в Индонезии, Папуа-Новой Гвинеи и северо-восточной части Квинсленда в Австралии. Из-за быстрого роста и устойчивости к очень бедным почвам A. mangium была завезена в некоторые страны Азии, Африки и западного полушария, где она используется в качестве плантационного дерева.
![Биология о суевериях и библейских чудесах](/storage/book-covers/fc/fcfd5c1ea39648e59566362fc456301d70a3224a.jpg)
Существует ли в действительности «манна небесная»? Чем вызываются «кровавые дожди»? Сколько лет живут растения и животные? На эти и некоторые другие вопросы даются ответы в предлагаемой брошюре. Книжка написана популярно, снабжена иллюстрациями и списком рекомендуемой литературы. Брошюра 3. Мукашева входит в серию «Ученые беседуют с верующими» и дает читателям научные сведения о некоторых биологических явлениях. В следующих брошюрах этой серии читателям будет рассказано о достижениях физики, математики, астрономии и других наук.
![Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов](/storage/book-covers/42/429cb273e0fb76c416f7d01308cd1f996e94a8ff.jpg)
Шведский генетик Сванте Пэабо давно лелеял мечту, казавшуюся несбыточной: выделить ДНК из египетских мумий и, таким образом, “поближе познакомиться” с людьми, жившими тысячи лет назад. Юношеская одержимость повела его тернистым путем — через мучительный научный поиск, борьбу за чистоту экспериментов и интеллектуальную честность, дипломатические маневры и бюрократические войны… И завела намного дальше в глубину веков, к прочтению неандертальского генома, радикально меняющему все представления и о самих неандертальцах, и об их взаимодействии с предками современного человечества. “Неандерталец” — это не только увлекательный рассказ о сенсационном прорыве, но и документ, фиксирующий важную веху в истории науки: становление палеогеномики, новой дисциплины, позволяющей методом исследования древних ДНК восстанавливать картину эволюции нашего вида в таких подробностях, о каких мы раньше не смели и мечтать. (В исходнике отсутствует расшифровка примечаний после 31)