Энергетическая характеристика среды

Организмы, которые функционируют на поверхности Земли или вблизи нее, получают энергию от солнечного излучения и длинноволновое тепловое излучение – от близлежащих тел. Оба эти фактора определяют совокупность климатических условий: температуру, скорость испарения воды, движение воздушных масс и т.д. Малая часть энергии используется в фотосинтезе, обеспечивающем живые компоненты экосистемы. Солнечный свет падает на нашу планету из космоса с энергией 1,98 кал/кв.см. в минуту (солнечная постоянная), а при прохождении через атмосферу ослабляется. В ясный летний полдень до поверхности Земли доходит не более 67% энергии света, а при прохождении через облака, воду и растительность она уменьшается в еще большей степени. Поступление солнечной энергии к автотрофному слою экосистемы за день составляет от 100 до 800 ккал/ кв.см., в среднем 300-400 ккал/кв.см.

Энергия общего потока излучения в разных ярусах экосистемы в зависимости от сезона года, а также ее местоположение на земном шаре подвержена значительным колебаниям.

Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется атмосферными газами и пылью, причем степень ослабления зависит от длины волны света. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм почти не проходит через озоновый слой, который находится на высоте 15-25 км. От этого слоя зависит жизнь на нашей планете, так как ультрафиолетовое излучение оказывает губительное действие на живые организмы. Излучение оптической области (видимый свет) ослабляется постепенно; инфракрасное излучение поглощается в атмосфере неодинаково – в зависимости от длины волны.

Лучистая энергия, которая достигает поверхности Земли в ясный день, состоит примерно на 10 % из ультрафиолетового излучения, на 45% из видимого света и на 45% - из инфракрасного излучения (Reifscnyder. Lull, 1965). Менее всего при прохождении через атмосферу и воду ослабляется видимый свет, который принимает непосредственное участие в процессе фотосинтеза. Он называется фотосинтетически активной радиацией ( ФАР).

Важное значение для всего живого на Земле имеет тепловое излучение (кроме лучистой энергии). Тепло излучают все поверхности и тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля. (Следует отметить, что тепловое излучение свойственно не только отдельным элементам экосистемы – почве, растениям, воде и т.д., но и облакам, которые привносят дополнительное количество энергии на поверхность Земли.) Тепло распространяется беспрепятственно и во всех направлениях, лучистая же энергия имеет четкую направленность и поступает только днем. Поэтому количество тепловой энергии, которую получают растения, может в несколько раз превышать направленное излучение Солнца. Необходимо также учесть, что тепловая энергия поглощается более полно, чем солнечное излучение.

Большое значение для существования организмов и эффективного использования окружающей среды имеет их приспособляемость к суточным колебаниям температуры, которые в большей мере зависят от количества воды и наличия растительности. Например, в пустынях дневной поток энергии во много раз превышает ночной, а в глубоководных зонах океана или в глубине тропического леса он в течение суток практически не изменяется. Следовательно, масса воды и биомасса леса сглаживают колебания энергетических характеристик, чем оберегают живые организмы от стрессов.

В экосистемах условия существования организмов определяются общим потоком излучения. Однако для продуктивности экосистемы и для круговорота биогенных элементов более важное значение имеет суммарное прямое солнечное излучение, то есть солнечная энергия, которую зеленые растения получают за единицу времени. Этот поток первичной энергии приводит в действие все биологические системы. Большая часть биосферы постоянно получает энергию, равную 300-400 ккал/кв.м в сутки, или 1,1 – 1,5 млн ккал/кв.м в год (табл.2.2).

Таблица 2.2.

Рассеивание энергии солнечного излучения (по Ю.Одуму, 1975)

Статьи расхода энергии Процент от годового поступления в биосферу

Отражение 30,0

Прямое превращение в тепло 46,0

Испарение, осадки 23,0

Ветер, волны, течения 0,2

Фотосинтез 0,8

Энергия приливов составляет около 0,0017% солнечной энергии, тепло Земли – около 0,5%.

Особенно важное значение имеет так называемая чистая радиация на поверхности Земли – разность между суммарным потоком лучистой энергии и отраженной поверхностью Земли. Годовая чистая радиация между 40’ северной широты и 40’ южной широты составляет над океанами 1млн ккал/кв.м в год, а над континентами – 0,6 млн ккал/кв.м в год. Такое огромное количество энергии расходуется на испарение воды, образование тепловых потоков воздуха и рассеивается в виде тепла в мировое пространство. Можно сказать, что в целом Земля находится в состоянии приблизительного энергетического равновесия. Поэтому любой процесс, замедляющий выход световой энергии в космос, приводит к повышению температуры в биосфере.

Из всего количества солнечной энергии, поступающей в биосферу, примерно 70% преобразуется в тепло и затрачивается на испарение и другие процессы и только около 1% переходит непосредственно в пищу и другую биомассу. Не следует считать, что большая часть энергии теряется зря: она поддерживает определенные температурные условия на нашей планете, приводит в действие системы погоды и круговорот воды, необходимые для жизни. Энергия приливов и внутреннего тепла Земли в отдельных регионах может быть полезна, однако в тепловом балансе она невелика. Много тепловой энергии сосредоточено глубоко в недрах Земли, но она почти недоступна и потому практически не используется.

Пищевые цепи

Пищевая цепь - перенос энергии от ее источника (автотрофы или растения) через ряд организмов путем поедания одних другими. Пищевые цепи можно разделить на два основных вида.

Пастбищная пищевая цепь начинается с зеленого растения и тянется к пасущимся растительноядным животным и хищникам. В такой цепи при переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло.

Детритная цепь – перенос энергии от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.

В экосистемах пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены, образуя пищевые сети. В сложных природных сообществах организмы, получающие энергию от Солнца через одинаковое число ступенек, относятся к одному и тому же трофическому уровню. Например, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные – второй уровень (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных – третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники – четвертый (уровень третичных консументов).

Популяции одного и того же вида могут занимать один или несколько трофических уровней в зависимости от источников, которые они используют. Например, человек использует в пищу мясо животных, которые едят траву, улавливающую энергию Солнца. В этом случае – вторичный консумент на третьем трофическом уровне. Пищевая цепь может быть и более короткой, если человек питается исключительно растительной пищей. В случае смешанного питания (смесь растительной и животной пищи) он одновременно является первичным и вторичным консументом. При таком типе питания поток энергии разделяется между двумя или несколькими трофическими уровнями в пропорции, соответствующей долям растительной и животной пище в рационе.

При каждом переносе энергии в жизненной цепи значительная ее часть теряется, следовательно, число консументов, которые могут прожить при данном выходе первичной продукции, зависит от длины цепи.