3. Энергетическое обеспечение биологического круговорота

Физическими исследованиями установлено главное различие между веществом и энергией, заключающееся в том, что вещество занимает пространство и имеет массу, т. е. может быть взвешено в условиях тяготения. Вещество может быть в твердом, жидком, газообразном и плазменном состоянии, но в любом случае мельчайшие единицы вещества - это элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны и т. д.), из которых, в свою очередь, состоят атомы.

Для всех известны самые распространенные формы энергии - свет, тепло, движение и электричество. Они занимают определенные пространства и не обладают массой. Энергия - это способность совершать работу. Различают две категории энергии: кинетическую и потенциальную. Кинетическая - это световая, тепловая, электрическая и энергия механического движения, обусловленная непосредственным действием или движением. Потенциальная энергия как бы "запасается" системой, т. е. если есть такая энергия, то можно реализовать ее потенциал (запас) в каких-то видах кинетической энергии.

Рис. 1. Перенос вещества и энергии в экосистеме

Для нас очень важной является потенциальная энергия, "запасенная" в веществе (топливе, пище и т. п.), относимая к так называемой химической потенциальной энергии (рис. 1).

В бесчисленных физических экспериментах, посвященных измерению количества энергии при переходах из одной формы в другую, был получен один и тот же результат - количество энергии неизменно. Это представляет собой известный физический постулат - первое начало термодинамики: энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую.

Дальнейшие физические, химические и биологические эксперименты показали, что существует еще один важный закон природы - второе начало термодинамики: при любых превращениях энергии часть ее теряется в виде тепла. Известно, что такие потери зачастую превышают 50 %, а во многих энергетических превращениях коэффициент полезного действия (КПД) составляет от 1 до 10 %, т. е. от 90 до 99 % исходной энергии при превращениях теряются в виде тепла.

Все преобразования вещества в процессе биологического круговорота требуют энергетических затрат. Ни один живой организм не способен к продуцированию энергии - она может быть получена исключительно извне. В современной биосфере главнейший источник энергии, который утилизируется в биогенном круговороте, - это энергия солнечного излучения.

Поток солнечного излучения - энергии в экосистемах полностью соответствует началам термодинамики. Принципиально можно говорить о системах превращения энергии из одной формы в другую, а именно - энергии солнечного излучения в химическую энергию, накапливаемую фотосинтезирующими растениями, а ее - в другие формы по мере прохождения пищевых цепей. В трофической сети, на каждом ее уровне происходит высвобождение потенциальной энергии для функционирования систем организма и одновременно происходит потеря тепла. Через экосистемы движется поток энергии и осуществляются ее превращения.

На Землю поступает весьма мощный поток солнечной энергии, который поддерживает жизнь и возвращается в космическое пространство в виде теплового излучения. Большая часть поступающей солнечной энергии превращается непосредственно в тепло: происходит нагревание почвы, воды, а от них атмосферного воздуха. Приобретенное этими составляющими геосфер тепло в существенной мере определяет климат, погоду, движение воздушных и водных масс, в конце концов обогревает все живущее на нашей планете. Постепенно тепло отдается в космическое пространство, где и теряется. В огромном природном потоке энергии для экосистем всех размеров есть вполне определенное место. Как установлено, в экосистемах используется весьма малая часть потока энергии.

Рис. 2. Схема потребления поступающего на Землю солнечного излучения.

Первым этапом использования и преобразования энергии в целях круговорота является фотосинтез, в процессе которого создаются вещества для построения тканей растительных организмов. Энергия, полученная продуцентами в виде солнечного излучения, в процессе фотосинтеза превращается в энергию химических связей. Аккумуляция энергии в организме фотосинтетиков связана с увеличением массы организмов. Эту биомассу растительных тканей, которую создают продуценты, называют первичной продукцией.

Накопленная в результате фотосинтеза биомасса растений (первичная продукция) - это резерв, из которого часть используется в качестве пищи организмами - гетеротрофами (консументами первого порядка). По некоторым приблизительным расчетам травоядные изымают в пищу около 40 % фитомассы; оставшиеся 60 % означают реальную массу растительности в экосистеме.

Аналогичная последовательность в использовании энергии гетеротрофами сохраняется и в дальнейшем. Полученная с пищей энергия, иначе называемая большой энергией, соответствует энергетической "стоимости" общего количества съеденной пищи.

Усвоенная энергия, за вычетом энергии, которая выбрасывается из организма с мочой, фекалиями и другими выделениями, составляет метаболизированную энергию. Из нее выделяется часть в виде тепла при переваривании пищи и либо рассеивается, либо расходуется на терморегуляцию. Оставшаяся энергия в виде энергии существования немедленно расходуется на различные формы жизнедеятельности в виде массы нарастающих тканей, энергетических резервов, половых продуктов. Энергия существования складывается из затрат на фундаментальные жизненные процессы - основной обмен, или базальный метаболизм, и энергии, расходуемой на различные формы деятельности. У некоторых живых организмов есть еще расходы на терморегуляцию. Но в любом случае все эти энергозатраты заканчиваются рассеиванием энергии в виде тепла, что отвечает вышеуказанным закономерностям. Энергия, накопленная в тканях тела гетеротрофного организма, составляет вторичную продукцию экосистемы, которая может быть использована консументами высшего порядка. Если рассматривать превращения энергии на всех гетеротрофных этапах круговорота, т. е. в организмах, последовательно использующих в пищу биомассу предыдущих уровней, то распределение энергии для использования на различные цели обеспечения жизненных процессов и потери на тепло окажется аналогичным вышеописанному. В результате же количество энергии, доступной для потребления, прогрессивно падает на ходу повышения трофических уровней, что принципиально объясняет причину относительно небольшой длины пищевых цепей.

В цепях разложения постепенная деструкция органических веществ связана с высвобождением энергии, которая частично рассеивается, а частью аккмулируется в составе тканей организмов - редуцентов. После гибели их тела также попадают в цикл редукции.