Экожүйелердегі заттар мен энергия ағындары

Энергия көзі күн энергиясының ағыны L болып табылады. Оның көп бөлігі (L_u) жылу түрінде шашырайды. Энергияның өсімдіктермен тиімді жұтылған бөлігі (L_a) фотосинтез процесінде көмірсутектердің және басқа органикалық заттардың химиялық байланыстарының энергиясына P_g түрленеді. Бұл экожүйенің жалпы бірінші реттік өнімі (ЖБӨ, брутто-өнім). Оның заттарының бір бөлігі өсімдіктердің тыныс алуы процесінде тотығады және өсімдікте жүретін басқа биохимиялық процестерде пайдаланылатын энергияны R босатады және ақырында жылу түрінде шашырайды.

Жаңадан түзілген органикалық заттардың қалған бөлігі өсімдіктер биомассасының өсімін ∆B=P_n – экожүйенің таза бірінші реттік өнімін (ТБӨ, нетто-өнім) қамтамасыз етеді: P_n=P_g-R. Таза өнімнің жалпы өнімге қатынасы, яғни фотосинтездің тиімділік коэффициенті (К_эфф.=P_n/P_g) өсімдіктер типіне байланысты болады. Ол жылдам өсетін бір жылдық шөптерде үлкен (0,7-ден 0,85-ке дейін), бірақ өсімдіктер өте қарқынды тыныс алатын тропик орманда кіші (0,2…03).

Әр түрлі экожүйелердің маңызды сипаттамалары сондай-ақ өнімді коэффициенттер – өнімнің биомассаға қатынастары: P_g/B және P_n/B болып табылады. Олар өмірінің ұзақтығы қысқа ұсақ организмдер (планктон, бір жылдық шөптер) қауымдастықтарында ылғи да үлкен.

Биомассаның өсімі пайдаланылады: бір бөлігі фитофагтармен тұтыны-лады, қалғанын сапрофагтар мен редуценттер қайта өңдейді. Фитофагтар және басқа жануарлар қоректенеді, көбейеді, өседі және сондай-ақ өнім береді. Бұл экожүйенің екінші реттік өнімі. Ол тек биомассамен ғана емес, сонымен бірге жануарлардың тіршілік әрекетінің кейбір өнімдерімен (төл, жұмыртқалар, жібек, бал, жүн, сүт, балауыз) түзілген.

Тұрақты экожүйенің жиынтық биомассасы салыстырмалы түрде тұрақты. Бір қоректік деңгейден екіншіге ауысқанда қолайлы энергияның бір бөлігі (N_u) қабылданбайды, бір бөлігі жылу, экскременттер (N_a) түрінде беріледі, ал бір бөлігі тыныс алуға (R) жұмсалады. Орта есеппен, бір қоректік деңгейден екіншіге ауысқанда жалпы энергия шамамен бір ретке азаяды. Берілген заңдылық Р. Линдеманның (1942 ж.) энергиялар пирамидасының ережесі немесе он пайыз ережесі деп аталады. Тағамдық тізбек неғұрлым ұзынырақ болса, оның аяғына қарай қолайлы энергия соғұрлым аз қалады. Сондықтан қоректік деңгейлер саны ешқашан да көп болмайды. Жалпы алғанда биосфера үшін таза бірінші реттік өнімді мүмкін тұтыну үлесі (жоғары ретті консументтер деңгейінде) бір пайыздан аспайды. Берілген заңдылық Р. Линдеманның бір пайыз ережесі деп аталады.

Энергияның қасиеттері термодинамиканың бірінші және екінші заңдары-мен анықталады.

Термодинамиканың бірінші заңы: энергия бір түрден екіншіге өтуі мүмкін – ол жоғалмайды және қайта құрылмайды.

Термодинамиканың екінші заңы: энергияның қандай да бір бөлігі ылғи да пайдалану үшін қолайсыз – жылу энергиясы түрінде шашырайтын болғандық-тан, - кинетикалық энергияның (мысалы, жарықтың) потенциалдық энергияға (мысалы, химиялық қосылыстар энергиясына) өздігінен түрлену тиімділігі ылғи да 100%-дан кем.

Экожүйеге сырттан түсетін энергияның мөлшері экожүйеден кететін және экожүйеде қалатын энергияның сомасына тең. Энергияны тасымалдау процесінің тиімділігі ешқашан 100%-ға жетпейді, сондықтан энергияның бір бөлігі жылу түрінде жойылады. Жылу энергиясының ешқашан да пайдалы жұмысқа толығымен түрленуінің мүмкін емес екені белгілі. Осыған ұқсас түрде тірі жүйелерде тағаммен түскен жоғары энергетикалық қосылыстардың ыдырауы процесінде босатылатын энергияның барлығы басқа реакцияларда пайдаланылуы мүмкін, өйткені энергияның бір бөлігі жылуға түрленеді. Неліктен біздің тағамдық тізбектердің шыңында организмдердің едәуір аз санын көретініміздің себептерінің бірі осында. Тағамдық тізбек бойынша өрлеудің әрбір кезеңінде энергияның жұмсалуы шыңында организмдердің шамалы саны ғана болуына әкеледі. Энергияны тағамдық тізбек бойымен тасымалдау процесінде бөлінетін энергияның мөлшері сыртқы көз (мысалы, күн энергиясы) есебінен толығады.

Қазіргі уақытта мынадай түсінік қалыптасқан, оған сәйкес термодинами-ка заңдары бойынша энергия ағыны бар ашық жүйелерде энергияны тасымал-дайтын циклдер түрінде динамикалық құрылымдар, - заттың реттелген айналымдары амалсыз пайда болады. Биотикалық айналым деп аталған, биосферадағы органикалық затты синтездеу және ыдырату циклі.

Организмдердің, экожүйелердің және жалпы алғанда биосфераның маңызды термодинамикалық сипаттамасы – ішкі реттелгендіктің жоғары деңгейін жасау және қолдау қабілеттілігі.