Энергетические взаимоотношения между видами

Важным аспектом экологии сообществ являются энергетические взаимоотношения между видами. Но прежде чем перейти к изучению энергетики сообществ, нам необходимо рассмотреть некоторые основы термодинамики. Всем организмам для существования и воспроизведения требуется энергия, а единственный источник практически всей энергии на Земле — Солнце. Можно считать, что Земля «питается» лучистой энергией Солнца. Но 99% падающего солнечного излучения (а, возможно, даже и больше) не используется организмами и теряется в виде тепла и теплоты испарения. Только около 1 % улавливается растениями при фотосинтезе и запасается в виде химической энергии. Кроме того, количество поступающей солнечной энергии сильно различается в разных точках земной поверхности и зависит от времени. Физика и химия дали нам два фундаментальных закона термодинамики, которым подчиняются все формы вещества и энергии, включая живые организмы.

Первый закон, закон сохранения вещества и энергии, утверждает, что вещество и энергия не исчезают и не создаются вновь. Они могут преобразовываться, а энергия может переходить из одной формы в другую, но общая сумма эквивалентных количеств вещества и энергии должна оставаться постоянной. Свет переходит в тепло, кинетическую энергию и (или) потенциальную энергию. В любой момент времени энергия преобразуется из одного вида в другой; часть ее выделяется в виде тепла, которое представляет собой наиболее беспорядочную форму ее существования. Единственный путь преобразования энергии со 100%-ной эффективностью — это переход ее в тепло, или горение. Сжигание навесок высушенных организмов в «калориметрических бомбах» — широко распространенный метод определения количества энергии, запасенной в тканях.

Энергию можно измерять в разнообразных единицах, например эргах или джоулях, но в экологии общим знаменателем является тепловая энергия, которая выражается в калориях. Второй закон термодинамики утверждает, что все виды энергии, будь то световая, потенциальная, химическая, кинетическая или любая другая энергия, спонтанно стремятся перейти в менее организованную и более беспорядочную форму. Этот закон иногда называют законом «возрастания энтропии». Предположим, я подогреваю сковороду, чтобы приготовить яичницу. После завтрака сковорода остается на плите. Поначалу тепловая энергия сконцентрирована у сковороды. По сравнению с остальной частью комнаты эту энергию нельзя назвать беспорядочной. На следующее утро сковорода остынет до температуры воздуха, а тепловая энергия рассеется по всей комнате, и ее нельзя уже больше использовать для приготовления еды. Система, состоящая из сковороды, комнаты и тепла, пришла в равновесие, стала менее упорядоченной и характеризуется возросшей энтропией. Если в ней нет постоянно действующего внешнего источника энергии, например газовой или электрической плиты, который поддерживал бы неустойчивое состояние, рассеяние энергии приведет к равновесию, характеризующемуся полным беспорядком.

То же самое справедливо в отношении всех видов энергии. Теоретически из этого закона следует, что в отдаленном будущем наша Солнечная система, а может быть, и вся Вселенная превратятся в совершенно беспорядочный набор молекул и в тепло. Жизнь иногда называют «отрицательной энтропией» потому, что организмы способны поддерживать сложную структуру, несмотря на влияние своего окружения. Но так же как и любые другие системы, состоящие из вещества и энергии, они подчиняются второму закону и вынуждены постоянно работать, создавая и поддерживая упорядоченные ансамбли вещества и энергии. Этот процесс требует энергии, и организмы получают ее от гаснущего Солнца (которое тоже подчиняется второму закону термодинамики и стремится к неупорядоченному состоянию), чтобы противостоять второму закону в своих собственных тканях, создавая порядок из беспорядка. Где бы мы ни находили живые растения или животных, мы всегда найдем здесь же источник энергии. Ни один организм не может долго просуществовать без непрерывного притока энергии. Опять-таки «отрицательная энтропия» имеется только внутри организмов, а совокупность энергетических взаимоотношений в Солнечной системе подчиняется второму закону термодинамики, т. е. вся система непрерывно теряет упорядоченность.

Поиск по сайту: