Энергетика экосистем

Для своего существования живые организмы должны постоянно расходовать и пополнять энергию. Жизнь на Земле существует за счет солнечной энергии (рис. 13).

Рис. 13. Круговорот веществ (жирные линии) и поток энергии (тонкие линии) в биосфере. S – энтропия – мера необратимого рассеивания энергии

Природа действует в высшей степени экономно. «Все изменяется, но ничего не пропадает» (Овидий). Созданная организмами биомасса и содержащаяся в ней энергия передается отдельным членам экосистемы: животные (фитофаги) питаются растениями, хищники (зоофаги) поедают животных. Человек потребляет в пищу и растения, и животных. Все живые организмы являются объектами питания других организмов. Этот процесс называют пищевой цепью. Таким образом, пищевая цепь – взаимоотношения между организмами, при которых группа особей (растения, животные, бактерии, грибы) связаны друг с другом отношениями: пища – потребитель. Каждый вид питается не одним единственным видом. Пищевые цепи переплетаются в пищевую сеть.

Растения (автотрофы, продуценты) являются поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Пищевые связи – это передача энергии от одного организма другому.

Каждое звено в цепи питания называется трофическим уровнем. Первый трофический уровень – это создатели органического вещества – продуценты. Следующий трофический уровень – консументы: растительноядные – второй трофический уровень; плотоядные – третий и т. д. (см. табл. 1).

Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии.

Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. Она может передаваться не более чем через 4–5 последовательных звеньев. Пройдя через них, практически вся энергия оказывается рассеянной.

Потерянная энергия может быть восстановлена только поступлением новых ее порций. Экосистема функционирует за счет постоянного поступления энергии извне в виде солнечной энергии или готовых запасов органических веществ. Это закон однонаправленности потока энергии. Есть лишь круговорот веществ, поддерживаемый потоком энергии. Однонаправленность потока энергии формирует в экосистемах сравнительно замкнутый круговорот веществ.

Экологическим аналогом законов сохранения массы и энергии является закон внутреннего динамического равновесия Н. Ф. Реймерса: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем (в том числе экосистем) и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят, или в их иерархии. Его количественным выражением в масштабах биосферы является закон константности количества живого вещества В. И. Вернадского.

Справедливость закона внутреннего динамического равновесия доказывается практикой ведения хозяйства и особенно характером региональных экологических катастроф типа сахельской, приаральской, азовской, кара-богазской, бассейнов Белого и Баренцева морей, волжско-каспийской и др. Закон имеет важные для хозяйственной деятельности человека следствия, их 4.

1 следствие. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств систем) неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер. То есть действуют закон бумеранга и принцип Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Народная мудрость гласит: «Как аукнется, так и откликнется».

2 следствие. Взаимодействие вещественно-энергетических экологических компонентов (энергии, газов, жидкостей, организмов-продуцентов, консументов и редуцентов), информации и динамических качеств природных систем количественно нелинейно, т. е. слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения в других и во всей системе в целом. Например, малые отклонения в составе газов атмосферы вследствие ее загрязнения окислами серы и азота вызывают огромные изменения в экосистемах суши и водной среды. Увеличение концентраций этих веществ привело к кислотным осадкам, а с ними – к деградации, гибели лесов в Европе и Северной Америке, обезрыбливанию озер Скандинавии. Столь же абсолютно незначительные изменения концентрации углекислого газа (с 0,025 до 0,038 %) привели к возникновению парникового эффекта.

3 следствие. Производимые в крупных экосистемах изменения относительно необратимы – проходя по их иерархии снизу вверх, от места воздействия до биосферы в целом, они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень. Это соответствует универсальному закону необратимости эволюции Л. Долло (организм, популяция, вид не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному его предками; настоящее видно на примере дышащих кислородом китов и морских змей, которые не могут вернуться на сушу) и закону вектора развития (развитие однонаправлено – нельзя прожить жизнь наоборот от старости до молодости, нельзя повернуть историю государства, невозможно развернуть эволюцию планеты, жизнь на ней).

4 следствие. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в ее крупнейших подразделениях ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала (правило «Тришкина кафтана»), увеличение которого возможно лишь путем значительного возрастания энергетических вложений. Абсолютный рост эколого-экономического потенциала в биосфере в принципе невозможен, так как ограничен термодинамической устойчивостью природных систем (закон, или правило, 1 %: изменение энергетики природной системы в пределах 1 % от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты, выводит природную систему из равновесного, квазистационарного, состояния; для глобальной энергетической системы 0,1–0,2 %).

Пока изменения среды слабы и произведены на относительно небольшой площади, они или ограничиваются конкретным местом, или «гаснут» в цепи иерархии экосистем. Но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, например, происходят в масштабах больших речных бассейнов, они приводят к существенным сдвигам в этих обширных природных образованиях, а через них, согласно 2-му следствию, и во всей биосфере Земли. Будучи относительно необратимыми (3-е следствие), изменения в природе оказываются и трудно нейтрализуемыми с социально-экономической точки зрения: их выправление требует слишком больших материальных средств и физических усилий.