Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются 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. Свет, например, есть одна из форм энергии, так как его можно превратить в работу, тепло или потенциальную энергию пищи в зависимости от ситуации, но энергия при этом не пропадает. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует).
Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение) — мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии (например, энергии света или пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Упорядоченность экосистемы, т.е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно «откачивает из сообщества неупорядоченность». Таким образом, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики.
|
|
Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии, хотя энергия при этом не создается и не уничтожается (первый закон термодинамики). Энергия, получаемая в виде света поверхностью Земли, уравновешивается энергией, излучаемой с поверхности Земли в форме невидимого теплового излучения. Сущность жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего все эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологических систем.
Одно из важнейших свойств организмов, их популяций и экосистем в целом - способность создавать органическое вещество, которое называют продукцией. Образование продукции в единицу времени (час, сутки, год) на единице площади (метры квадратные, гектар) или объема (в водных экосистемах) характеризует продуктивность экосистем. Т.е. реально продуктивность это скорость образования биомассы.
|
|
Под ней понимают всю живую органическую массу, которая содержится в экосистеме или ее элементах вне зависимости от того, за какой период она образовалась и накопилась. Биомасса и продукция (продуктивность) обычно выражаются через абсолютно сухой вес.
Продуктивность можно выразить в т/га в год, в количестве ккал/га в год; кДж/га в год, по количеству употреблений углекислоты. Т.е. продуктивность лесов можно определить по балансу кислород/углекислый газ (О2/СО2).
Продукция и продуктивность могут определяться для экосистем в целом или для отдельных групп организмов Растений, животных, микроорганизмов) или видов.
В процессе производства органического вещества следует выделить четыре последовательных уровня или ступени продуктивности.
Валовая первичная продуктивность — это скорость накопления в процессе фотосинтеза органического вещества, включая ту его часть, которая за время измерений будет израсходована на дыхание. Ее обозначают Ре и выражают в единицах массы или энергии, приходящихся на единицу площади или объема в единицу времени.
Чистая первичная продуктивность — скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом той его части, которая использовалась на дыхание (R) растений в течение изучаемого периода: PN = Pg-R.
Вторичная продуктивность — скорость накопления органического вещества на уровне консументов. Она обозначается через Р2, Р3 и т. д. в зависимости от трофического уровня.
Чистая продуктивность сообщества — скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами, т. е. чистая первичная продукция за вычетом той ее части, которая в течение изучаемого периода (обычно за вегетационный период или за год) была потреблена гетеротрофами: PN—(P2 + Р3 + Р4+...).
Основная масса первичной продукции образуется в экосистемах суши прибл. 115 млрд. тонн в год, и около 55 млрд. т/год – в экосистемах океана. Например продуктивность лесов тайги в среднем около 700-800 г/м3, а влажных тропических лесов – 2000-2200 г/м3.