Поиск

Энергетика экосистем и биосферы в целом
28.10.2015

Почва является одним из компонентов биогеоценоза (экосистемы) — основной структурной единицы биосферы, поэтому энергетические процессы в почвах невозможно рассматривать изолированно от всей совокупности биосферных процессов. Присутствие живого вещества в биосфере придает своеобразный облик энергетическим явлениям на поверхности Земли и обогащает ее запасом энергии, способной к дальнейшим превращениям. Как указывал В.И. Вернадский, «живое вещество перерабатывает на нашей планете три различные формы энергии: 1) космическую лучистую энергию Солнца, тепловую и световую, 2) космическую атомную энергию радиоактивного распада, причина которого неизвестна, но который охватывает, по-видимому, все элементы (α-, β-, γ-излучений), и 3) космическую, исходящую из нашей галаксии (Млечного пути) энергию рассеянных элементов».
В результате этой переработки энергия живого вещества проявляется обратно принципу энтропии Клаузиуса; живое вещество на земной поверхности создает свободную энергию, способную производить работу и соответственно вызывать огромные химические и физические изменения на нашей планете, непрерывно действующие по крайней мере 2—3 млрд. лет. Эта биогенная энергия находится как в действенном состоянии, способном производить работу, так и в потенциальном, которое может переходить и постоянно переходит в действенную форму. Действенная форма энергии проявляется в биогенной миграции атомов и выражается всеми биогеохимическими функциями биосферы.
Энергетическое направление при изучении компонентов природных комплексов в нашей стране начало развиваться еще в 30-х годах благодаря работам Е.В. Боруцкого, В.С. Ивлева, Г.Г. Винберга. Особенно большое влияние оказали работы В.Н. Сукачева по биогеоценологии, работы Тэнсли, Хатчинсона и Линдемана по экосистемному анализу биосферы. Сейчас это направление успешно развивается в работах П.П. Второва, В.С. Ивлева, Г.Г. Винберга, Г.Ф. Хильми, П. Дювиньо и многочисленной группы экологов.
Как отмечает В.С. Ивлев, образовавшееся в биосфере органическое вещество может многократно воспроизводиться при переходе от одного трофического уровня к следующему. Поэтому количественный анализ продукционного процесса, основанный на учете образования и разрушения органической материи, сопряжен с неизбежной ошибкой вследствие суммирования одного и того же вещества. С другой стороны, энергия, заключенная в первичной органической материи, в ходе дальнейших превращений только расходуется, что дает возможность объективно оцепить интенсивность и направленность продукционного процесса. Поэтому анализ энергетических превращений в трофических циклах занял в современной экологии господствующее положение, определив дальнейшие пути развития проблемы биологической продуктивности.
Согласно Г.Г. Винбергу, только на энергетической основе возможны строгая количественная трактовка трофических связей, расчет коэффициентов использования пищи на рост и определение других показателей, характеризующих биологический круговорот и продуктивность экосистем. Знание интенсивности энергетического обмена компонентов экосистемы, их биомасс и коэффициентов использования энергии пищи на рост дает возможность количественно охарактеризовать скорость биологического круговорота, степень его обратимости, фактическую и потенциальную продуктивность и тип экосистемы.
Зная количественные энергетические соотношения между компонентами экосистемы, можно определить, в каких случаях определенное звено пищевой цепи или трофический уровень ограничивается энергетическими ресурсами при полном их использовании и в каких случаях степень развития данного трофического уровня при наличии достаточной энергетической базы ограничивается другими факторами. Это имеет первостепенное значение для управления экосистемами.
Основным положением энергетики экосистем является необратимость биоэнергетических процессов. Поэтому в применении к экосистемам (а также к почвам) нельзя употреблять выражение «круговорот энергии», подобно тому как в биогеохимии и почвоведении говорят о «круговороте вещества»; единственно правильным термином здесь будет только «поток энергии». Энергия первичной биологической продукции в ходе дальнейших преобразований только расходуется. Для пополнения и возобновления биомассы в экосистеме необходим постоянный приток энергии извне, в то время как притока атомов вещества может принципиально и не быть, одни и те же атомы могут многократно циркулировать в экосистеме.
К сожалению, мы должны отметить, что большинство современных экологов рассматривают энергетические процессы экосистем односторонне и крайне неполно, принимая во внимание только некоторые компоненты сложного природного комплекса, а именно организмы. Ограниченность такого подхода сказывается прежде всего на неполноте и фрагментарности получаемых энергетических балансов экосистем. Принципиально такой ограниченный подход к исследованию экосистем недопустим. Имея в виду тесное взаимодействие организма с субстратом, на котором и за счет которого он обитает, мы должны рассматривать всю экосистему, включающую организмы и среду их обитания, как единую энергетическую систему с разнообразием энергетических потоков, в сумме подчиняющихся первому и второму законам термодинамики.
Экосистема является энергетически очень сложной системой с бесконечным разнообразием прямых и обратных связей, что позволяет ее рассматривать в качестве саморегулирующейся системы. В свою очередь она состоит из множества подсистем. Такими подсистемами экосистемы, в частности, являются различные трофические уровни единой пищевой цепи. Энергетические процессы на разных уровнях различны как по объему энергетического потока, так и по его направленности, различны для автотрофных и гетеротрофных организмов.
Согласно В.О. Таусону, развитие всякого гетеротрофного организма, который вместе со своим субстратом может рассматриваться как энергетически замкнутая система, всегда влечет за собой уменьшение общего запаса энергии этой системы. При этом значительная часть ее выделяется в виде тепла и, рассеиваясь, теряется для организма, что является одним из подтверждений приложимости к биологическим процессам второго закона термодинамики (принципа рассеяния энергии).
Другая часть этой энергии (в конечном счете энергии субстрата) откладывается в теле организма, в продуктах его синтетической деятельности; в большинстве случаев имеет место концентрирование энергии, т. е. увеличение ее относительного содержания в продуктах синтеза по сравнению с относительным содержанием в веществах субстрата.
С энергетической точки зрения весь жизненный процесс у нормально развивающегося и растущего организма в целом можно рассматривать как процесс концентрирования части энергии питательных веществ субстрата при одновременной деградации другой ее части, что также находится в полном согласии со вторым законом термодинамики.
Г.Ф. Хильми указывает, что с энергетической точки зрения появление и развитие биосферы на Земле — с ее живым веществом, атмосферой и почвами.— следует рассматривать как возникновение грандиозного процесса постепенного накопления запаса превратимой энергии в поверхностном слое планеты и тем самым направленного процесса уменьшения «производства» непревратимых форм энергии в земной природе. В этом смысле и следует понимать негэнтропическую роль биосферы. Жизнь, закономерно возникая в хаосогенных областях Вселенной, преодолевая огромное сопротивление хаотической среды, тормозит и ослабляет переход свободной энергии в непревратимую энергию рассеянного тепла.
Почва, будучи одним из компонентов биосферы, также имеет свои энергетические особенности, отличающие ее от тел чисто физической абиогенной природы, и поэтому требует особого подхода, определяемого сейчас понятием биогеоэнергетики. Этот подход строится на основе главных принципов термодинамики, полностью приложимых к почвам как энергетическим системам.