Энергетическая классификация экосистем: типы и источники энергии

Энергетическая классификация экосистем

Любая экологическая система не может существовать без постоянного притока энергии. Основная её часть поступает в форме лучистой энергии солнечного света, которая затем преобразуется в другие формы и распределяется между обитателями сообщества. Именно характер и качество доступной энергии во многом задают облик экосистемы. На этом основании выделяют несколько фундаментальных типов природных и антропогенных систем, о которых пойдёт речь ниже.

Энергия - это способность совершать работу.

Энергия в экосистемах

Все процессы и изменения состояний в природе неразрывно связаны с превращениями энергии, при которых она переходит из одной формы в другую. Экосистемы и биосфера в целом подчиняются тем же законам, что и неживая материя. Согласно первому закону термодинамики, энергия способна менять форму, но при этом не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно. Так, свет можно преобразовать в тепло или в потенциальную энергию химических связей пищи - её общее количество останется неизменным. Второй закон термодинамики напрямую связан с понятием энтропии.

Ключевая особенность всех живых организмов заключается в умении создавать и поддерживать высокую внутреннюю упорядоченность. Достигается это за счёт непрерывного расходования части концентрированной, труднодоступной энергии - например, заключённой в пище. Постепенно она переходит в рассеянную тепловую форму, которую использовать уже сложно. В питательных веществах энергия запасена в виде химических связей.

Чтобы превратить усвоенные соединения в биомассу, в организме должны идти биохимические реакции синтеза веществ, из которых строится тело. Поскольку такая работа требует затрат, часть полученной пищи приходится метаболизировать ради высвобождения энергии. Она расходуется не только на построение биомассы, но и на прочие нужды. Высвобождение энергии при окислении усвоенной пищи в живых организмах называют дыханием, а оставшаяся доля переходит в энергию химических связей собственной биомассы.

Энергетическая классификация экосистем

Источник и качество доступной энергии в разной мере определяют численность и видовой состав организмов, характер протекающих процессов, ход развития системы и даже образ жизни человека. Поскольку энергия служит общим знаменателем и главной движущей силой как природных, так и антропогенных систем, именно её удобно положить в основу «первичной» систематизации. На этом принципе выделяют четыре основных типа экосистем.

1. Природные, движимые Солнцем, несубсидируемые.
Единственным источником энергии здесь выступает Солнце, а её годовой приток составляет от 1000 до 10000 ккал/м². К этой группе относят открытые океаны, степи, горные леса и крупные глубокие озёра - вместе они охватывают около 70 % поверхности планеты. На такие системы нередко накладываются дополнительные ограничения, например нехватка воды или питательных элементов, поэтому продуктивность их невелика. Обитающие здесь организмы хорошо приспособились к скудному энергетическому пайку. Благодаря огромной площади эти экосистемы образуют фундамент системы жизнеобеспечения Земли.

2. Природные, движимые Солнцем, субсидируемые иными естественными источниками.
Годовой приход энергии достигает 10000-40000 ккал/м². Сюда относят морские эстуарии и часть дождевых лесов. Эти системы отличаются плодородием, обладают высокой поддерживающей способностью и вырабатывают избыток органического вещества, который выносится в соседние системы или накапливается на месте.

3. Движимые Солнцем, субсидируемые человеком.
Годовой приток энергии составляет 20000-40000 ккал/м². Наиболее показательный пример - агроэкосистема. Она производит продукты питания и волокнистые материалы, а энергетическую дотацию получает в виде горючего и в других формах, поставляемых человеком. Продуктивность таких систем не просто повышена - она целенаправленно ориентирована на выпуск пищевой и волокнистой продукции, которую легко собирать и перерабатывать.

4. Индустриально-городские, движимые топливом.
Главным поставщиком энергии здесь служит топливо, а не Солнце. Годовой приход колеблется от 100000 до 3000000 ккал/м². Именно в этих системах создаётся человеческое богатство, однако существуют они за счёт первых трёх типов, фактически паразитируя на них и получая оттуда топливо и продовольствие. Характерная черта - сверхмощные энергетические потоки. На одного человека за год приходится порядка 80 миллионов ккал, тогда как телесная потребность в пище составляет около 1 миллиона ккал. Иными словами, на транспорт, промышленность, домашнее и сельское хозяйство расходуется в 80 раз больше энергии, чем требуется собственно организму.