Экосистемы и поток энергии

Рис. 10.3. Схема потока энергии и круговорота био-генных элементов (биогеохимических циклов) в экосистеме.

Экосистемы и поток энергии [c.387]

Изучая поток энергии в экосистеме, т. е. ее энергетику, пользуются соответствующими физическими единицами. В системе СИ количество энергии измеряют в джоулях (Дж), но до сих пор часто употребляются калории. Определение этих единиц дано в табл. 10.1, где приводится также их запас в некоторых пищевых продуктах и организмах (их энергоемкость, или калорийность), а также суточные потребности в энергии трех групп животных (их энергозатраты). [c.387]

На первых страницах этой книги уже говорилось, что в настоящее время описано свыше полумиллиона ныне существующих видов растений и свыше миллиона видов животных. Сколь ни велики эти числа, они, возможно, соответствуют лишь половине действительно существующих на земле видов организмов. Мы говорили также, что число видов, которые когда-то существовали, а ныне вымерли, вероятно, на порядок выше. В пяти последних главах обсуждались некоторые процессы и механизмы, участвующие в создании и поддержании этого огромного разнообразия организмов, однако недостаток места заставил нас опустить многие важные темы. Мы не касались вопроса о потоке энергии в экосистеме, не пытались выяснить, представляет ли собой разнообразие постоянное или преходящее явление. Точно так же мы не рассматря [c.422]

Экологический анализ потоков энергии - основа для определения зависимости выхода полезных для человека продуктов от функционирования экосистемы. [c.28]

Количество ассимилированной энергии А всегда меньше общего потока энергии Э, потенциально доступного для трофического уровня. Если биогенное органическое вещество накапливается в экосистеме, то А > Д если убывает, то А < Д. [c.29]

Стабильное функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием сообщества, потока энергии и круговорота веществ. [c.46]

Рис. 13-3. Поток солнечной энергии и круговорот углерода, кислорода и азота на примере одной из экосистем. В этой изолированной экосистеме в результате фотосинтеза, осуществляемого травянистой растительностью, фиксируется атмосферная СО , образуются органические соединения и выделяется кислород. Почвенные микроорганизмы фиксируют атмосферный азот, переводя его в аммиак и нитраты, используемые затем растениями в качестве источников азота для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Зебры получают кислород из воздуха, а необходимый им углерод и аминокислоты-из растений в результате окисления крахмала, белка и других компонентов растительной пищи. Львы поедают зебр, а их экскременты попадают в почву, где микроорганизмы перерабатывают их, завершая цикл.

Для составления энергетических балансов, материальных балансов потоков веществ, расчета продуктивности искусственных экосистем и объема отходов необходимо знать структуру переноса энергии и вещества в экосистеме. [c.24]

Несколько сложнее дело обстоит с расходами энергии на функционирование биосистемы. В предыдущих разделах мы рассмотрели некоторые процессы переноса и превращения компонент в биосистемах. Часть этих процессов происходит пассивно , т. е. механизмы, ответственные за их осуществление, не расходуют метаболической энергии (см. разд. 1.6). Таковы процессы диффузии (6.10) или (6.14), а также излучение тепловой энергии (6.23). Если процессы переноса веществ (6.15) осуществляются пассивно (например, в экосистемах — перенос семян и биомассы потоками воздуха или воды), то такие процессы также не связаны с активной затратой энергии в биосистеме. Часто процессы преобразования компонент на основе закона действующих масс (6.34) или в ходе некоторых ферментативных реакций (6.40) также представляют собой пассивные процессы, не приводящие к расходу метаболической энергии биосистемы. [c.181]

Фактически для всех уровней биосистем первичные темпы расхода метаболической энергии, происходящего в живых клетках организмов, оплачиваются универсальной энергетической валютой , т. е. АТФ. Однако при исследовании процессов жизнедеятельности с помощью компартментальных моделей часто вместо процессов, определяющих баланс АТФ, рассматривают процессы передачи, синтеза, накопления и утилизации тех компонент, которые участвуют в энергетическом балансе (кислорода, глюкозы, а в экосистемах — органического вещества). Тогда вместо (6.57) и (6.58) в рассмотрение вводится вектор темпов потоков веществ [c.182]

Рис. 10.1. Уровни организации живого от генов до экосистем. Вся планета Земля представляет собой единую экосистему. Океаны, леса, степи и т. д. представляют собой более мелкие экосистемы, связанные между собой потоком энергии и обменом веществами в общепланетарную биосферу. Популяция — это группа организмов одного вида, обитающих на ограниченной территории и обычно в той или иной степени изолированных от сходных групп. Сообщество — любая группа организмов, принадлежащих к разным видам и сосуществующих в одном местообитании или определенной местности все эти организмы связаны между собой пищевыми и пространственными взаимодействиями. Экосистема представляет собой взаимодействующие как единое целое сообщество и окружающую его физическую среду.

С точки зрения энергетики, экологая изучает связь между светом, как первичной энергией и экосистемами и способами превращения энергии внутри системы состояние экосистемы - численность и соотношения организмов - по существу управляется и определяется потоком энергии. В процессе фотосинтеза экосистема самопроизвольно кинетическую энергию солнечного света превращает в более концентрированную потенциальную энергию - энергию химической связи пищи. В соответствии со вторым законом термодинамики эффективность такого превращения всегда ниже 100 %, Существенная часть световой энергии при этом теряется в виде недоступ- [c.38]

Биогеоценоз - это биокосная экосистема высокого уровня, включающая множество экосистем. Внутри него создается так называемый малый круговорот веществ, в результате чего атомы химических элементов непрерывно переносятся из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в общий круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Движение вещества, вызванное жизнедеятельностью организмов, происходит циклически, оно может быть использовано многократно, в то время как поток энергии имеет однонаправленный характер. Круговорот [c.16]

Биоценоз представляет собой саморазвивающуюся систему, проходящую определенный цикл развития, способную к саморегуляции. Структура биоценоза формируется потоком энергии и круговоротом веществ в экосистеме. [c.18]

Помимо солнечной энергии основного источника энергии, в природные экосистемы поступает энергия в виде ветра и дождя, энергия приливов в техногенные системы - энергия топлива и работы, в очистных сооружениях - в виде энергии, затрачиваемой на аэрацию и перемешивание, а также в виде энергии, затраченной на получение минеральных солей, вносимых в сооружения биологической очистки и т.п. Источник энергии, уменьшающий затраты на самоподдержание экосистемы и увеличивающий долю энергии, которая может перейти в продукцию, называется вспомогательным потоком энергии, или энергетической субсидией. [c.29]

Большое экологическое значение имеет отношение продуктивности к биомассе П/Б и дыхания к биомассе Д/Б, которые в экосистеме широко варьируют. Отношение Д/Б можно расматривать как отношение затрат энергии на поддержание жизнедеятельности биоты к энергии, заключенной в структуре, т.е. как меру термодинамической неупорядоченности. Если в закрытой системе без притока энергии резко увеличивается биомасса Б и при этом затраты энергии на дыхание Д не компенсируют энергию, необходимую для поддержания упорядоченности системы, то такая система постепенно разрушается и погибает. Важным показателем функциональной зрелости экосистем является также соотношение между долями ассимилированной энергии, расходуемой на продукцию и дыхание П/Д, и коэффициент ассимиляции общего потока энергии, потенциально доступной на трофическом уровне А/Э. В идеальном случае Э = А, Э = П + Д. Конкретные соотношения П/Д зависят от количества биомассы, стадии развития попу- [c.30]

Впервые такая цель была, по-видимому, сформулирована в работах А. Лотка [326а] в виде экстремального принципа — эволюция экосистем идет в сторону увеличения суммарного потока энергии через систему, причем в стационарном состоянии достигается его максимально возможное значение. Позднее К- Уатт выразил это положение следующим образом Сообщество животных и растений в любом месте земного шара представляет собой ансамбль видов, который обеспечивает максимальное использование падающей на Землю солнечной радиации при том типе почв, который характерен для данного района [210]. В соответствии с изложенными в разд. 1.7 представлениями об иерархии целей в биосистемах, можно рассмотреть и специфические цели систем экологического уровня. Высшие цели в экосистемах связаны с сохранением темпов производства органического вещества интенсивность использования падающей на Землю солнечной энергии должна поддерживаться на максимально возможном уровне. Сохранение же видового состава и численности отдельных популяций целесообразно лишь постольку, поскольку оно способствует выполнению высших целей — поддержанию максимального темпа- потока энергии через систему. Сохранение видового состава поэтому представляет собой цель второго порядка. [c.60]

Обобщенная схема наземной и водной экосистем приведена на рис. 10.2. Самое удивительное, что, несмотря на различия в абиотических условиях и в видовом составе биоты, структура этих экосистем схожа. Биотический компонент всех экосистем для удобства можно разделить на автотрофов и гетеротрофов. Существование гетеротрофов полностью зависит от автотрофов. Этот момент очень важен для понимания пищевых цепей и пищевьгх сетей, а также потоков вещества и энергии в экосистемах (разд. 10.3 и 10.4). [c.385]

При анализе сохранительных свойств экосистем большое внимание уделяется их открытому характеру [158, 187, 204, 307, 329]. В таких системах равновесные состояния могут смещаться под влиянием внутренних изменений в системе и под воздействием внешних факторов. В этом случае устойчивость можнО трактовать на основе принципа Ле-Шателье степень сохранения состояния системы при действии возмущений зависит от структуры потоков вещества и энергии в системе. (Блок-схема одного из типов экосистем — луговой экосистемы — с учетом структуры потоков приведена на рис. 2.6 потоки вещества, энергии и информации рассматриваются в последнее время и применительно к новому типу природных комплексов — так пазы-ваемым географическим системам [15, 16].) [c.58]

Примерами процессов первого типа являются на организменном и суборганизменных уровнях физические процессы — диффузия, перенос веществ и энергии различного рода носителями (кровь, воздух в легких), излучение энергии, испарение воды с кожи и т. д. На уровне экосистем — миграции животных, перенос биомассы потоком воды в проточном культиваторе, перемещение биомассы растительных и животных видов в водных экосистемах под действием течений и т. д. [c.160]

Рис. 6.10. Блок-схема экологической с 1стемы Силвер Спрингс. В матрич- 6м виде система изображается 6 компактной форме. Матрица определяет структуру потоков w органического вещества, поступающего в систему, матрица Л —все внутренние свойства системы, включая такие характеристики, как темпы потребления энергии популяциями экосистемы, темпы их дыхания, коэффициенты естественной смертности н потери энергии со стоком воды.

Что общего во всех этих озерах с точки зрения моделирования Им свойственна значительная пространственная неоднородность гидрофизических условий как по глубине, так и по горизонтали. Для всех этих озер развитие фитопланктона лимитировано фосфором. Кроме того, для таких озер как следствие их размеров характерно значительное время реакции на внешние воздействия, исчисляемое годами и даже десятилетиями. Для моделирования этих озер, учета перечисленных особенностей необходимо создание трехмерных моделей и таких вычислительных алгоритмов, которые позволили бы проводить расчеты на длительное время с целью воспроизведения как круглогодичной циркуляции и температурного режима, так и круглогодичного функционирования их экосистем. Компьютерные модели, основанные на таких алгоритмах, могут использоваться для уточнения различных количественных оценок процессов обмена веществом и энергией внутри экосистемы, полученных путем прямой обработки результатов наблюдений. К таким оценкам относятся оценка внутриводоемных потоков фосфора, оценка вклада различных групп гидробионтов в регулирование обмена веществом и энергией в экосистеме, оценка потоков вещества на границе вода— дно и т. п. Другое назначение моделей — прогнозирование изменений в озерных экосистемах при различных сценариях развития экономики в бассейнах озер, т. е. при изменении объемов и характера антропогенной нагрузки. [c.9]

Основная направленность рассматриваемых моделей экосистемы — это исследование процесса антропогенного эвтрофирования больших стратифицированных озер. Для того чтобы получить в результате моделирования количественные оценки процесса эвтрофирования, необходимо воспроизвести внутриводоемные потоки вещества и энергии, учитывающие основные компоненты экосистемы. К ним на данном этапе моделирования отнесены биогены (в основном азот и фосфор), фитопланктон, зоопланктон, детрит (мертвое органическое вещество), растворенное в воде органическое вещество, зообентос, рыбы и раствореншлй в воде кислород. Здесь не представлены в явном виде бактериопланктон, водные грибы, макрофиты. Бактериопланктон, играющий исключительно важную роль основного деструктора мертвого органического вещества, учитывается в моделях при параметризации процесса деструкции неявно. [c.13]

Модель В. В. Меншуткина и О. Н. Воробьевой (1987) экосистемы Ладожского озера, так же как и созданная на ее основе модель, представленная в гл. 6, были предназначены прежде всего для определения реакции экосистемы на рост фосфорной нагрузки. Однако биотический блок этих моделей был построен на основе данных наблюдений за озером в период 1976—1979 гг. Поэтому не учитывались изменения в экосистеме озера, наметивпшеся во второй половине 80-х годов. Так, по мнению многих исследователей (Ладожское озеро..., 1992), в озере возросла роль растворенного органического вешества и бактериопланктона во внутриводоемном обороте фосфора в период развитого термоклина отмечается возникновение зон с пониженным содержанием кислорода, отмечено также изменение видового состава доминирующих групп фитопланктона. Использованное в предыдущих моделях представление фитопланктона в виде одной однородной группы не позволяло повысить точность определения первичной продукции в условиях меняющихся биогенной нагрузки и погодных условий. Развитие процесса антропогенного эвтрофирования озера потребовало для его исследования создания математических моделей экосистемы, которые могли бы уточнить многие представления о процессе оценить вклад различных групп гидробионтов в регулирование внутриводоемного обмена веществом и энергией, оценить потоки вещества на границах вода— дно и вода—атмосфера, воспроизвести сезонную смену видов фитопланктона, сукцессию. [c.212]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология