Потоки энергии в биосфере. Устойчивость биосферы

Продуценты
Первичные зоофаги (консументы II порядка)
Фитофаги (консументы I порядка)
Вторичные зоофаги (консументы III порядка)
вторичная продукция
вторичная продукция
вторичная продукция
валовая первичная продукция
чистая первичная продукция
Детритоядные и редуценты
минеральные вещества
фотосинтез
минерализация
Биологический круговорот веществ
(на примере пастбищной цепи)

Каковы сходства и отличия
большого и малого круговоротов?

Солнце как источник энергии
Второй принцип функционирования экосистем:
Экосистема существует за счет практически вечной, не загрязняющей среду солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно
Характеристики солнечной энергии:
Избыток
2. Чистота
3. Постоянство
4. Вечность

Лекция № 12
Тема: «Потоки энергии в биосфере.
Устойчивость биосферы.»

Как человек влияет на потоки энергии в биосфере ?
Какие глобальные проблемы возникают в результате
этого влияния ?

Продуценты
Первичные зоофаги (консументы II порядка)
Фитофаги (консументы I порядка)
Вторичные зоофаги (консументы III порядка)
вторичная продукция
вторичная продукция
вторичная продукция
валовая первичная продукция
чистая первичная продукция
Детритоядные и редуценты
минеральные вещества
R
R
R
R
D
E
D
E
D
E
D
E
фотосинтез
минерализация
R – энергия, теряемая при дыхании
D – естественная смерть
E – энергия, выделяемая с продуктами метаболизма
Биологический круговорот веществ
(на примере пастбищной цепи)
R
0,2%

Законы термодинамики
Закон сохранения энергии.
При любых процессах, происходящих в системе при неизменных внешних условиях, ее полная энергия остается постоянной.
Формулировки первого закона (начала) термодинамики:
Энергия не создается и не уничтожается.
2. В любой изолированной системе общее количество энергии постоянно.
3. Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами.
4. Это одна из форм закона сохранения энергии.

Продуценты
Первичные зоофаги (консументы II порядка)
Фитофаги (консументы I порядка)
Вторичные зоофаги (консументы III порядка)
вторичная продукция
вторичная продукция
вторичная продукция
валовая первичная продукция
чистая первичная продукция
Детритоядные и редуценты
минеральные вещества
R
R
R
R
D
E
D
E
D
E
D
E
фотосинтез
минерализация
R – энергия, теряемая при дыхании
D – естественная смерть
E – энергия, выделяемая с продуктами метаболизма
Биологический круговорот веществ
(на примере пастбищной цепи)
R
0,2%

Энергия в экосистеме не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую (Е света ? Е химических связей органических соединений; Е химических связей органических соединений ? тепловая Е).
В применении к экологическим системам:

Формулировки второго закона (начала) термодинамики:
Невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходит от тел менее нагретых к телам более нагретым.
2. Все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.
3. Процессы, связанные с превращением энергии могут протекать самопроизвольно лишь при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную.
Энтропия системы – это мера рассеивания энергии, степень внутренней неупорядоченности системы.
Ее величина связана со структурой самой системы. В равновесной системе энтропия высокая, в открытой сложноорганизованной – низкая.

Продуценты
Первичные зоофаги (консументы II порядка)
Фитофаги (консументы I порядка)
Вторичные зоофаги (консументы III порядка)
вторичная продукция
вторичная продукция
вторичная продукция
валовая первичная продукция
чистая первичная продукция
Детритоядные и редуценты
минеральные вещества
R
R
R
R
D
E
D
E
D
E
D
E
фотосинтез
минерализация
R – энергия, теряемая при дыхании
D – естественная смерть
E – энергия, выделяемая с продуктами метаболизма
Биологический круговорот веществ
(на примере пастбищной цепи)
R
0,2%

Правило Шредингера
«о питании» организма отрицательной энтропией: упорядоченность организма выше окружающей среды и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает.
Принцип сохранения упорядоченности Пригожина
в открытых системах энтропия не возрастает, а уменьшается до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля.
Принцип экономии энергии Л. Онсагера:
при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допустимых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Продуценты
Первичные зоофаги (консументы II порядка)
Фитофаги (консументы I порядка)
Вторичные зоофаги (консументы III порядка)
вторичная продукция
вторичная продукция
вторичная продукция
валовая первичная продукция
чистая первичная продукция
Детритоядные и редуценты
минеральные вещества
R
R
R
R
D
E
D
E
D
E
D
E
фотосинтез
минерализация
R – энергия, теряемая при дыхании
D – естественная смерть
E – энергия, выделяемая с продуктами метаболизма
Биологический круговорот веществ
(на примере пастбищной цепи)
R
0,2%

Второй закон термодинамики в применении к экосистемам:
не может быть ни одного процесса связанного с превращением энергии без потери некоторой ее части (т.е. эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100 %). В экосистемах часть энергии превращается в недоступную тепловую и, следовательно, теряется. Поэтому жизнь на Земле не возможна без притока солнечной энергии.

R
R
R
R
R
EDW
EDW
EDW
EDW
ED
Редуценты
Продуценты
Консументы I порядка
Консументы II порядка
Консументы IV порядка
Консументы III порядка
Солнце
Е – энергия, выделяемая с
метаболитами
D – естественная смерть
W – фекалии
R – дыхание
R

Закон пирамиды энергии (закон Линдемана):
с одного трофического уровня переходит на другой, более высокий уровень в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень энергии.

R
R
R
R
R
EDW
EDW
EDW
EDW
ED
Редуценты
Продуценты
Консументы I порядка
Консументы II порядка
Консументы IV порядка
Консументы III порядка
Солнце
Е – энергия, выделяемая с
метаболитами
D – естественная смерть
W – фекалии
R – дыхание
R

Экосистема (с точки зрения термодинамики)
- это неравновесная система, постоянно поглощающая из окружающей среды энергию, вещество и информацию, уменьшая энтропию внутри себя, но увеличивая вовне в связи с рассеиванием тепловой энергии на каждом трофическом уровне.

Закон исторического саморазвития экосистем Бауэра:
развитие биологических систем есть результат увеличения их внешней работы – воздействия этих систем на окружающую среду.

Агроэкосистемы

Особенности агроэкосистем
2. Низкое биологическое разнообразие
1. Высокая продуктивность
4. Низкая устойчивость
3. Высокая энтропия
5. Внесение большого количества
антропогенной энергии

Влияние антропогенной деятельности
на потоки энергии и устойчивость
биосферы
Человек потребляет более 10% продукции биосферы, хотя по закону Линдемана это потребление не должно превышать 1%. Это приводит к снижению устойчивости и разрушению природных экосистем.
2. Человек изменяет термодинамические процессы в биосфере, привнося антропогенную энергию (ископаемого топлива, атомного ядра, ГЭС и др.), что увеличивает поток тепловой энергии с поверхности планеты. Эта энергия накапливается в атмосфере, что приводит к глобальному изменению климата планеты.
3. Замена естественных экосистем на агроэкосистемы приводит к росту энтропии, а значит снижению устойчивости биосферы.
4. Увеличение энтропии приводит к экстенсивному течению эволюции, что может привести к саморазрушению живой материи или глобальному изменению видового состава и всего облика биосферы.