Энергетическая классификация экосистем

- движимые Солнцем несубсидируемые экосистемы – природные системы, полностью зависящие от прямого солнечного излучения. Это открытые участкиокеанов, крупные участки горных лесов и большие глубокие озера. Экосистемы этого типа получают мало энергии и имеют малую продуктивность, но занимают огромные площади. Это основной модуль жизнеобеспечения биосферы. Здесь очищаются большие объемы воздуха, возвращается в оборот вода, формируются климатические условия и т.д.;

- экосистемы, движимые Солнцем. Но субсидируемые другими естественными источниками. Это, например. эстуарии рек, морские приливы и лагуны. Эти системы характеризуются более быстрым круговоротом минеральных элементов питания;

- экосистемы, движимые Солнцем, но субсидируемые человеком. Примером их являются агроэкосистемы (поля, коровники, птицефабрики и т.д.);

- экосистемы, движимые топливом, - индустриально-городские экосистемы, в которых энергия топлива не дополняет, а заменяет солнечную энергию.

- индустриально-городские системы, движимые топливом. Такая система испытывает огромную потребность в энергии, которая на два –три порядка больше того потока, который поддерживает жизнь в естественных экосистемах, движимых Солнцем. Эти системы зависят от первых трех типов, паразитируют на них, получая продукты питания и топлива.

Биосфера. Экосистемой самого высокого порядка является Биосфера. По современным представлениям, биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов, в том числе человека и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами, т.е. образует среду их обитания.

Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы (рис. 2.2.).

Литосфера (греч. Литос – камень) - каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью от 6 до 80 км, сложенную горными породами – базальтами, гранитами, гнейсами и др. Земная кора – важный ресурс для человечества, источник минеральных и энергетических полезных ископаемых.

Гидросфера (греч. гидора - вода) – водная оболочка Земли, играет огромную роль в формировании климата и природной среды на планете.

Атмосфера – (греч. атмос – пар) – газовая, или воздушная оболочка Земли, состоит из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

Верхней границей биосферы является озоновый слой (экран), высота которого изменяется от 20-25 км у экватора до 8-10 км у полюсов. Нижней границей считаются: в океане – донные отложения, на суше – верхний слой земной коры, подверженный воздействию живых организмов (это примерно 3-х километровый слой). К биосфере относят некоторые полезные ископаемые (каменный уголь, известняки, нефть) – продукты фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи.

В свою очередь в пределах биосферы выделяют несколько слоев:

- эубиосфера – слой в котором живое вещество локализовано постоянно; общая ее протяженность 12-17 км;

- парабиосфера, находится выше эубиосферы;

- метабиосфера, находится ниже эубиосферы, опускается в глубь Земли до 10-15 км.

В парабиосферу и метабиосферу живые организмы могут попадать лишь случайно, т.е. это слои, в которых живое вещество присутствует периодически. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км. Жизнь в биосфере возможна при наличии двух основных условий: присутствия воды в жидком состоянии и притока солнечной энергии как единственного источника всех видов энергии на Земле.

Эволюция биосферы. Функционирование любой экосистемы (включая биосферу) обеспечивается наличием и взаимодействием трех основных компонентов – сообщества организмов, потока энергии и круговорота химических веществ. Источником энергии природных экосистем является Солнце. Поток солнечной энергии в экосистеме однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии в сообществе (экосистеме) используется только однократно в соответствии со вторым законом термодинамики, который гласит: «Процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную», т.е. теряется в окружающем пространстве в виде теплоты.

В то же время вещества, необходимые для жизни организмов, - так называемые биогенные вещества – углерод, кислород, фосфор, азот, вода и др. – в отличие от энергии, могут использоваться в экосистеме многократно, образуя т.н. биотический круговорот.

С точки зрения специфики усвоения (ассимиляции) вещества и энергии живые организмы, входящие в состав экосистемы, неодинаковы и делятся на две группы. Представители первой группы, а именно зеленые растения, осуществляя реакцию фотосинтеза, могут использовать солнечную энергию напрямую для образования органического вещества из неорганического.. Другие же, к числу которых относятся все животные организмы, вынуждены использовать энергию Солнца лишь опосредованно – через органическое вещество, создаваемое организмами-фотосинтетиками.

Организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ – двуокиси углерода (CO₂) и воды (H₂O) посредством процессов фотосинтеза или хемосинтеза, носят название автотрофов (или самопитающихся). В первом случае – это зеленые растения, во втором – микроорганизмы.

Схематически процесс фотосинтеза заключается в том, что в результате сложных фотохимических реакций вода и CO₂ соединяются в молекулы простых углеводов (сахаров) с выделением в атмосферу свободного кислорода.

В упрощенном виде реакцию фотосинтеза можно записать в следующем виде:

хлорофилл

n CO₂ + 2nH₂O + hv + мин. ---------------→ n [CH₂O] + 2nO₂ + nH₂O + Q

в-ва

Например, при n = 6

хлорофилл

6 CO₂ + 12H₂O + 673 ккал -------------------→ 6 C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + + Q,

фруктоза

глюкоза

где: hv – энергия фотона солнечного света; Q – химическая энергия вещества.

Организмы – автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е являются производителями продукции – т.н. продуцентами.