Энергия в экологических системах реферат
Обновлено: 19.04.2024
Экосистема или экологическая система- биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними.
Важнейшим аспектом экологии являются энергетические взаимоотношения в экологических системах. Энергию определяют, как способность производить работу. Свойство энергии описывается следующими законами:
Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.
С точки зрения первого закона возможны и равновероятны любые процессы, в которых вместо исчезнувшего вида энергии появится эквивалентное количество другого вида, но первый закон ничего не говорит о возможности и вероятности того или иного процесса, связанного с превращением энергии или ее перераспределением.
Однако если внимательно рассмотреть всевозможные процессы, протекающие в окружающем мире, проводимые нами самими, окажется, что их можно разбить на две существенно различающиеся группы:
§ Во-первых, это процессы самопроизвольные, т.е. идущие сами собой. Для их проведения не только не затрачивается работа, но будучи поставленными в соответствующие условия, они сами могут произвести работу в количестве, пропорциональном происходящему изменению. Самопроизвольные процессы ведут систему к состоянию равновесия, где силы, вызывающие процессы уравновешиваются (например, выравниваются давление, температура, концентрация и т.д.).
§ В случае попытки повернуть самопроизвольные процессы вспять, мы имеем дело уже с несамопроизвольными процессами. Они не идут сами собой. Для их проведения необходимо затратить работу в количестве, пропорциональном происходящему изменению.
Критерии самопроизвольного или несамопроизвольного изменения системы, а также критерии равновесия устанавливает второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному. Для целей экологии наиболее удобными являются следующие формулировки:
- процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную - деградирует;
- поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединений) всегда меньше 100%.
Энтропия (от греческого entropia - поворот, превращение) - мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии. Система обладает низкой энтропией, если способна создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности за счет непрерывного рассеяния легко используемой, концентрированной энергии (например, света или пищи) и превращения ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую).
Закон сохранения энергии и закон энтропии - это фундаментальные законы природы, имеющие универсальное значение. Из этих физических законов нет исключений, и никакие технические изобретения не могут их нарушить. Любая искусственная или естественная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель.
В буквальном смысле экология – это наука об условиях существования живых организмов, их взаимодействиях между собой и окружающей средой.
Экология – также междисциплинарное системное научное направление [27, 32]. Возникнув на почве биологии, оно включает в себя концепции, технологии математики, физики, химии. Но экология и гуманитарная наука, поскольку от поведения человека, его культуры во многом зависит судьба биосферы, а вместе с ней и человеческой цивилизации.
В зависимости от специфики решаемых экологических задач существуют ее разнообразные прикладные направления: инженерная, медицинская, химическая, космическая экология, агроэкология, экология человека и т.д.
Что является предметом исследования экологии? Экология изучает организацию и функционирование живых систем более сложных, чем организм, т. е. надорганизменных систем. Эти системы получили название экологических систем или экосистем.
Экосистема – это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии [27]. В качестве примеров можно привести лесные экосистемы, почвы, гидросферу и т.д.
Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд. лет, она растет и усложняется наперекор тенденциям холодной энтропийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека невозможно без биосферы.
Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и являются ее подсистемами. Крупная региональная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни или влажного тропического леса. Гораздо меньшей системой является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхождения, занимающая определенный участок. Более сложной системой, чем популяция, является сообщество, которое включает все популяции, занимающие данную территорию. Таким образом, популяция, сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным.
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.
1. Энергия в экологических системах
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.
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.
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.
Соотношение между зелеными и желтыми пигментами можно использовать как показатель отношения гетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при усилении дыхания сообщества увеличивается содержание желтых пигментов.
Один из пределов биосферы – валовая продукция фотосинтеза, и под него человеку придется подгонять свои нужды, пока не удастся доказать, что усвоение энергии путем фотосинтеза можно сильно повысить, не подвергая при этом опасности нарушить равновесие других, более важных ресурсов жизненного круговорота.
Урожай, получаемый человеком, составляет 1 % чистой или 0,5 % общей первичной продукции биосферы, если учитывать только потребление пищи человеком. Вместе с домашними животными это 6 % чистой продукции биосферы или 12 % чистой продукции суши.
Замкнутость производственных циклов по энергетически-энтропийному параметру теоретически невозможна, поскольку течение энергетических процессов (в соответствии со вторым началом термодинамики) сопровождается деградацией энергии и повышением энтропии природной среды. Действие второго начала термодинамики выражается в том, что превращения энергии идут в одном направлении в отличие от цикличного движения веществ.
экологический система энергия метаболизм
1.1 Концепция экосистемы
Живые организмы и их абиотическое окружение неразделимо связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Любая биологическая система, включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ между живой в неживой частями, представляет собой экологическую систему или экосистему.
Долговременное функционирование экосистемы обеспечивают три основных компонента — сообщество, поток энергии и круговорот веществ.
В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, водород, кислород, азот, фосфор и др.), не только могут, но и должны использоваться многократно.
2. Метаболизм и размер особей
Под метаболизмом понимают постоянно происходящий в клетках живых организмов обмен веществ и энергии. Одни соединения, выполнив свою функцию, становятся ненужными, в других возникает насущная потребность. В различных процессах метаболизма из простых веществ при участии ферментов синтезируются высокомолекулярные соединения, в свою очередь сложные молекулы расщепляются на более простые.
При неизменном энергетическом потоке в пищевой цепи более мелкие организмы имеют более высокую интенсивность обмена, более высокий удельный метаболизм (метаболизм в пересчете на 1 кг массы), чем крупные организмы. При этом мелкие организмы создают относительно меньшую биомассу, чем крупные. Так, биомасса бактерий, имеющихся в данный момент в экосистеме, гораздо ниже биомассы млекопитающих. Эта закономерность получила название правила Одума. Это правило заслуживает особого внимания, поскольку из-за антропогенного нарушения природы происходит измельчание организмов, которое неминуемо должно привести к общему снижению продуктивности и к разладу в экосистемах.
При измельчании особей выход биомассы с единицы площади в силу более плотного заселения пространства увеличивается. Слоны не дадут такой биомассы и продукции с единицы площади, которую способна дать саранча. Это – закон удельной продуктивности. Так, мелкие предприятия и фермы в сумме производят больший объем хозяйственной продукции, чем крупные, тем более крупнейшие.
Исчезновение видов, представленных крупными особями, меняет структуру экосистем. При этом организмы одной трофической группы замещают друг друга. Так, копытных в степи и саванне сменяют грызуны, а в ряде случаев – растительноядные насекомые. Это – принцип экологического дублирования.
В результате потери энергии при переносе ее по трофической цепи и таких факторов, как зависимость метаболизма от размеров особи, каждая экосистема приобретает определенную трофическую структуру. Ее можно представить в виде экологических пирамид. Если принять, что в вещество тела животного переходит в среднем 10% энергии съеденной пищи, то за счет 1 т растительной массы может образоваться 100 кг массы тела травоядного животного, а за счет последнего – 10 кг массы тела хищников.
2.1 Обьяснения и примеры
Интенсивность обмена у отдельных организмов или их ассоциаций часто оценивается по скорости потребления кислорода (или в случае фотосинтеза — но скорости его продукции). У животных наблюдается общая тенденция к увеличению интенсивности обмена в расчете на организм пропорционально степени 2/з роста объема (или массы); иначе говоря, интенсивность метаболизма на грамм биомассы растет с уменьшением длины (Zeuthen, 1953; Bertalanffy, 1957; Klеiber, 1961).
Рис. 3-17. Связь между дыханием и массой тела у одной особи (А) и дыханием на единицу массы и массой тела (Б). Показатель степени в уравнениях обычно лежит в пределах 0,7—0,8. (С изменениями по Agren, Axelsson, 1980.)
При сравнении организмов, имеющих размеры одного порядка, линейные зависимости, показанные на рис. 3.17, не всегда оказываются справедливыми. Это вполне естественно, потому что на интенсивность метаболизма влияют и многие другие факторы. Например, у теплокровных животных интенсивность дыхания выше, чем у холоднокровных такого же размера. По это различие относительно мало но сравнению с различием между позвоночными и бактериями. Итак, при одинаковом поступлении энергии с пищей величины урожая па корню холоднокровной растительноядной рыбы в пруду и урожая теплокровных травоядных млекопитающих на суше могут быть одного порядка. Но, как ужо указывалось в гл. 2, в воздухе кислорода больше, чем в воде, где он может служить лимитирующим фактором. Б общем у водных животных, по-видимому, активность дыхания на единицу массы меньше, чем у наземных животных такого же размера. Такая адаптация вполне может повлиять на трофическую структуру
В онтогенезе любого вида также может наблюдаться обратная зависимость между размерами тела и интенсивностью метаболизма. Так, в яйцах интенсивность метаболизма на 1 г массы обычно выше, чем у взрослых особей. По данным Хантера и Вернберга (Hunter, Vernberg, 1955), метаболизм на 1 г массы у взрослых трематод (паразитических червей) в 10 раз ниже, чем у их мелких личинок церкарий.
Во избежание недоразумений подчеркиваем, что с увеличением размера снижается не общий метаболизм особи, а удельный, т.е. интенсивность метаболизма не единицу веса. Взрослому человеку требуется пищи больше, чем маленькому ребенку, но на килограмм своего веса взрослый потребляет меньше пищи.
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
Потоки энергии и вещества в экосистемах Любая жизнь требует постоянного притока энергии и вещества. Энергия расходуется на осуществление основных жизненных реакций, вещество идет на построение тел организмов. Существование природных экосистем сопровождается сложными процессами вещественно-энергетического обмена между живой и неживой природой. Эти процессы очень важны и зависят не только от состава биотических сообществ, но и от физической среды их обитания.
Поток энергии в сообществе – это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи).
Поток (круговорот) вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам и далее (через химические реакции, происходящие без участия живых организмов) вновь к продуцентам.
Круговорот вещества и поток энергии – не тождественные понятия, хотя нередко для измерения перемещения вещества используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули). Отчасти это объясняется тем, что на всех трофических уровнях, за исключением первого, энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов, передается в форме вещества потребленной пищи. Лишь растения (продуценты) могут непосредственно использовать для своей жизнедеятельности лучистую энергию Солнца.
Строгое измерение циркулирующего в экосистеме вещества можно получить, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для цитоплазмы растительных и животных клеток.
В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована в организме только один раз.
Согласно законам физики энергия может переходить из одной формы (например, энергии света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но она никогда не создается вновь и не исчезает. Не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потери некоторой ее части. В своих превращениях определенное количество энергии рассеивается в виде тепла и, следовательно, теряется. По этой причине не может быть превращений, например пищевых веществ в вещества, из которых состоит тело организма, идущих со стопроцентной эффективностью.
Существование всех экосистем зависит от постоянного притока энергии, которая необходима всем организмам для поддержания их жизнедеятельности и самовоспроизведения.
Лишь около половины солнечного потока, падающего на зеленые растения, поглощается фотосинтетическими элементами, и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1/100 до 1/20 части) запасается в виде энергии, необходимой для деятельности тканей растений.
По мере удаления от первичного продуцента скорость потока энергии (то есть количество энергии, выраженное в энергетических единицах, перешедшее с одного трофического уровня на другой) резко ослабевает.
Падение количества энергии при переходе с одного трофического уровня на более высокий определяет число самих этих уровней. Подсчитано, что на любой трофический уровень поступает лишь около 10% (или чуть более) энергии предыдущего уровня. Поэтому общее число трофических уровней редко
Известно, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново - это первый закон термодинамики.
Таким образом, на современном уровне знаний энергия, вещество и информация не меняются. Меняется упорядоченность. Степенью беспорядка считается ЭНТРОПИЯ.
Второй закон термодинамики показывает, что идет процесс уменьшения порядка - растет беспорядок, если этому не мешать. Все стремится к абсолютному беспорядку - это называется законом НЕУБЫВАНИЯ ЭНТРОПИИ.
Если человек разжигает костер или использует химическое топливо для получения энергии - он повышает ЭНТРОПИЮ системы.
Экосистема включает в себя живое и неживое вещество. Живое вещество увеличивает упорядоченность, противодействует ХАОСУ. Полный беспорядок, хаос наступит тогда, когда вся энергия будет превращена в тепловую энергию, и эта тепловая энергия будет равномерно рассеяна во всем пространстве.
Как уже говорилось, первоначальной энергией является энергия Солнца. Большая часть энергии, благодаря которой существует наша экосистема - БИОСФЕРА ЗЕМЛИ - это энергия, приходящая к нам от Солнца. Причем через биосферу с пользой и отдачей проходит очень малое количество этой энергии. Например, если принять всю энергию, поступающую от Солнца за 100 % , то из нее усваивается растениями только 2 % , а 98 % - рассеивается в виде тепловой энергии и, таким образом, теряет упорядоченность и повышает энтропию.
Эти 2 % энергии, усвоенные зелеными растениями, далее расходуются по пищевой цепочке. При переходе от продуцента к консументу и т.д. большая часть энергии также рассеивается. Поэтому широкое основание экологической пирамиды по мере перехода от одного трофического уровня к другому сходит на нет на вершине пирамиды. Изменение энтропии в природных и техногенных системах представлено на рис. 2.5.
 |
Рисунок 2.5. - Изменение энтропии в техногенных и природных системах
Для характеристики стремительности уменьшения количества энергии в экологической пирамиде используется понятие КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ.
КАЧЕСТВО ЭНЕРГИИ В ЭКОСИСТЕМЕ определяется тем количеством энергии определенного типа, которая затрачивается на получение энергии данного типа (данного трофического уровня). На сколько уменьшается количество энергии, на столько увеличивается ее качество. В разных экосистемах трофические уровни могут существенно отличаться. Эффективность по увеличению качества энергии у экосистем также будет разная. Для характеристики отношения между трофическими уровнями, а также при оценках отношений внутри трофических уровней используется понятие ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.
1. По отношению между трофическими уровнями различают следующие понятия:
1.1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТРОФИЧЕСКИМ УРОВНЕМ - это отношение энергии, поступившей на данный уровень к таковой на предыдущем уровне.
1.2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ АССИМИЛЯЦИИ ТРОФИЧЕСКОГО УРОВНЯ - аналогичное указанному выше отношение ассимиляций.
1.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОДУКЦИИ ТРОФИЧЕСКОГО УРОВНЯ - это отношение продукции биомассы на данном уровне к таковому на предыдущем уровне.
1.4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ - это отношение энергии, поступающей на данный уровень ,к продукции биомассы на предыдущем уровне (или отношение ассимиляции на данном уровне к продукции биомассы на предыдущем трофическом уровне).
2. Для оценок в пределах одного трофического уровня различают следующие понятия:
2.1.ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОСТА ТКАНЕЙ ИЛИ ПРОДУКЦИИ- это отношение продукции биомассы к ассимиляции (на одном и том же уровне).
2.2.ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОСТА - это отношение продукции биомассы к поступлению энергии на одном и том же уровне.
2.3.ЭФФЕКТИВНОСТЬ АССИМИЛЯЦИИ - это отношение ассимиляции к поступлению энергии на одном и том же уровне.
Например, важно не использовать энергию высокого качества там, где можно обойтись энергией более низкого качества (солнечная энергия вместо энергии горения химического топлива).
Развитие современной экологии позволило известному экологу Б. Коммонеру еще в 1974 году сформулировать четыре основных закона, которые сводятся к следующему:
1. Все связано со всем. То есть изменение в функционировании какого-либо одного звена в экологической системе может привести к потере всей системой устойчивости и даже к ее полной деградации.
2. Все должно куда-то деваться. Природные экосистемы являются системами, функционирующими по принципу безотходной технологии, поэтому антропогенное воздействие должно укладываться в возможности по переработке веществ природными системами.
3. Природа знает лучше. Биосфера Земли в своем развитии в течение миллиардов лет достигла устойчивого состояния, а человек своими непродуманными действиями снижает эту устойчивость.
4. За все надо платить. Человечество не может использовать природные ресурсы и загрязнять окружающую среду без последствий. Поэтому любая деятельность человека, даже с точки зрения прогресса должна быть оценена экономически.
ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Устойчивое существование человеческих групп основано на непрерывном взаимодействии с окружающей средой - непрерывном обмене веществами и энергией. Благодаря этому группа получает необходимые вещества и создает условия для своего существования.
Экология человека в широком смысле означает динамическую связь сообщества со средой, в которой оно находится.
Приспособления, необходимые для успешного существования в определенных условиях называются АДАПТАЦИЯМИ.
Адаптация - свойство не только каждого из индивидуумов, образующих группу, но и всей группы в целом.
Экологическое взаимодействие осуществляется по следующей схеме:
· биологические процессы влияют на жизнедеятельность и формирование членов группы (сообщества),
· сообщество инициирует небиологические процессы, которые могут рассматриваться как реакции со стороны группы (культурные, технические, общественные).
Адаптация может рассматриваться:
с одной стороны, как изменение физиологических и социальных функций (для удовлетворения требований окружающей Среды), с другойстороны, как изменение компонентов среды (для удовлетворения требований организма).
СРЕДА (обитания) - комплекс окружающих условий, в которых находится сообщество. К компонентам среды относятся:
растительный и животный мир и др.
Таким образом, ЭКОСИСТЕМУ можно определить как комплекс, состоящий из определенной группы живых существ и среды, в которой эта группа существует.
Под ЭКОЛОГИЕЙ ЧЕЛОВЕКА следует понимать экологию всей экосистемы в целом, рассматриваемой с точки зрения, которую в ней играет человек.
В экологической системе происходит борьба за существование, в которой успех зависит от эффективности адаптаций и в которой действует естественный отбор.
Процессы экологической адаптации протекают в двух направлениях:
1.вызывая биохимические изменения в организме человека, которые обусловлены требованиями среды или возникают в процессе воздействия человека на среду (они определяются индивидуальными реакциями и реакциями всей группы в целом).
2.вызывая биологические реакции, специфические для данного индивидуума.
Эти процессы характеризуют взаимодействие организма со средой.
Первое направление обусловлено требованиями среды или воздействием человека на среду, и делится на:
индивидуальные реакции мужчины, женщины или ребенка - этими вопросами занимается АУТЭКОЛОГИЯ;
реакции всей группы в целом. Этими вопросами занимается СИНЭКОЛОГИЯ.
Второе направление определяется частным генотипом, например - узкий нос в холодных или засушливых странах.
Таким образом, ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ - это свойство вида. Все представители Homo Sapiens способны проявлять определенные реакции в ответ на изменение внешних условий (физиологическую пластичность).
Читайте также: