Энергия в экосистемах

4.1. Преобразование энергии в экосистемах

Энергия (греч. energeia - деятельность) - источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. С помощью энергии произрастают и выращиваются продукты питания, необходимые человеку и другим организмам; поддерживается температура тела и обогреваются жилища; производится промышленная продукция; создаются сложнейшие технические сооружения и устройства, интеллектуальные и культурные ценности. Энергия позволяет переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать предметы и организмы, осуществлять круговорот веществ в природе и т. д;

Энергия - движущая сила мироздания. Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику; культуру, образование, науку и искусство. :Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Энергия - одно из основных свойств материи - способность производить работу.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики.

Законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Лауреат Нобелевской премии Ф. Содди писал: «Законы термодинамики определяют взлеты и падения политических систем, свободу и ограничения государств, развитие торговли и промышленности, причины богатства и нищеты, благосостояние человечества»,

Для управления энергетическими процессами прежде всего необходимо понять роль энергии в экологических системах. Энергетический подход помогает определять, какой уровень жизни людей наиболее соответствует природным возможностям биосферы. Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия – это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические оценивать с позиций экологии.

Природные экологические биосистемы могут служить моделью общих принципов функционирования, основанных на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив движение потоков энергии в природных экосистемах, можно познать законы, справедливые для антропогенных систем.

Несмотря на огромное разнообразие биосистем, приспособленных к конкретным климатическим и биологическим условиям существования, в их поведении есть общие черты, связанные с принципиальным сходством энергетических процессов.

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем (рис. 4.1).

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии - гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях большая часть энергии переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.

Действительно, солнечная энергия Q_солн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентрированной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики:

Q_солн = q_рас + q_конц·

Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (q_конц < Q_солн)· Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики.

То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйственных экосистемах. На рис. 4.2 показаны потоки энергии, обеспечивающие работу фермы. Схема представляет четыре потока энергии, поступающие от солнца Q_солн, с дождем q_Д, питательными веществами q_П.В., работой человека и машин q_Ч, которые взаимодействуют в процессе производства продуктов питания.

Согласно первому закону термодинамики, энергия, поступающая в систему из четырех источников, преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания q_П и рассеянную тепловую энергию q_Т:

Согласно второму закону, количество энергии, заключенной в продуктах питания, значительно меньше общего количества поступившей, которая превращается в основном в рассеянную тепловую энергию q_Т:

Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.

Отношения между растениями - продуцентами и животными - консументами управляются потоком аккумулированной растениями солнечной энергии. Весь живой мир получает необходимую энергию в основном из органических веществ, созданных растениями.

Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.

Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими протоплазмы; а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Например, наше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощностью 100 ватт, - вот почему в переполненной людьми комнате жарко.

В технических системах происходит то же самое. При движении автомобиля в механическую энергию движения и электрическую энергию всех его систем превращается лишь около 10% энергии сгорающего бензина. Остальные 90% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и в конечном счете теряются для нас в космическом пространстве. Энергия потребленного бензина не исчезает, а превращается в формы, практически недоступные для использования. При горении электрической лампы только 5 % электрической энергии, проходящей через проволоку лампы накаливания, превращается в полезное световое излучение, а 95% теряется в виде рассеянной тепловой энергии.

Рассеиваемая теплота есть энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла. При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку).

Для определения степени неупорядоченности состояния системы употребляют термин энтропия (греч. en - внутрь, trope – превращение). А тенденцию потенциальной - энергии к деградации, к самопроизвольному превращению в рассеянную тепловую энергию называют возрастанием энтропии.

Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной потенциальной энергии, которая становится недоступной для использования.

Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, • характеризуются высокой энтропией (рис. 4.3).

Таким образом, в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энергии, которая переходит в бесполезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять работу.

Второй закон термодинамики подразумевает также, что практически невозможно восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. В то же время в природных экосистемах энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок, т. е. структуры, обладающие низкой энтропией.

Преобразования энергии в живой материи имеют свои особенности и на первый взгляд не согласуются с теорией классической термодинамики. Е. М. Петров отмечает: «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина»,

В соответствии с законами термодинамики дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму началу термодинамики, энтропия будет расти, а запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан. Рост внутренней неупорядоченности приведет к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, к их разрушению, т. е. к «тепловой смерти»,

В соответствии с теорией эволюции Дарвина направление развития разнообразных форм жизни в биосфере имеет противоположную тенденцию - от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики.

Многие теоретики давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в биосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. На недостаточность этого закона еще в конце XIX столетия обратил внимание украинский ученый С. А. Подолинский (1850-1891). Он подчеркивал наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии: процессов накопления и концентрации солнечной энергии. С. А. Подолинский приложил законы энергии к экономическим явлениям и показал роль человеческого труда в аккумуляции полезной энергии: расширении запасов продуктов питания и повышении количества концентрированной солнечной энергии, в том числе с помощью гелиотехники.

Е. А. Тимирязев (1903), анализируя термодинамические функции хлорофиллового аппарата растений, считал их антиэнтропийными процессами, так как они приводят не к рассеиванию, а к концентрации солнечной энергии.

В. И. Вернадский (1928) подчеркивал, что появление жизни на 3емле связано с накоплением в биосфере «активной энергии» в растениях при одной и той же исходной энергии Солнца.

А. Е. Ферсман (1937) писал, что процессы биогенеза привели к тому, что «сложные органические соединения живого вещества оказались с еще большими запасами энергии, и законы энтропии если не нарушаются, то во всяком случае замедляются процессами ЖИЗНИ».

Уникальные функции преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Все формы жизни - это крошечные «хранилища» порядка, который поддерживается созданием моря беспорядка в окружающей их среде. Чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергии. Следовательно, современные промышленно развитые сообщества повышают энтропию окружающей среды, т. е. разрушают ее в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок объяснил нобелевский лауреат И. Пригожин (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми диссипативными структурами (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т. е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т. е. рассеивает тепло.

Дыхание упорядоченной биомассы выполняет функции «диссипативных структур» экосистем.

Без дыхания энтропия любой биосистемы растет, и она в конце концов погибает.

В экосистеме отношение количества тепловой энергии, рассеиваемой при дыхании сообщества (Д), к его суммарной биомассе (В), т. е. к потенциальной энергии, заключенной в биомассе (Д/Б), можно рассматривать как меру термодинамической упорядоченности. Если в закрытой системе резко увеличивается биомасса (В), то уменьшаются затраты энергии, необходимые для поддержания упорядоченности системы (Д), и она постепенно разрушается и погибает.

Экосистемы с энергетической точки зрения представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой: энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне, в соответствии с законами термодинамики.

Для оптимизации использования энергии природная система создает хранилища концентрированной потенциальной энергии, часть которой тратит на получение новой и поддержание порядка: обеспечивает круговорот веществ, обмен с другими системами, создает механизмы устойчивости и др.

Все типы неживых систем регулируются теми же законами термодинамики, которые управляют живыми системами. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них запасенной потенциальной энергии, способны самовосстанавливаться и поддерживать порядок, а машины приходится ремонтировать за счет внешней энергии.

Живая материя отличается от неживой прежде всего способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию, концентрировать ее и качественно преобразовывать, чтобы противостоять росту энтропии внутри себя.

Следовательно, порядок, создаваемый энергетическими потоками в экосистемах, связан с изменением качества аккумулированной живыми организмами энергии.

Виды и формы энергии бывают самыми разнообразными.

Обычно выделяют два вида энергии: кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия зависит от скорости движения и массы материального объекта. Такой энергией обладают движущийся автомобиль, летящая пуля, электрически заряженные частицы и др.

Потенциальная энергия - это «запасенная» энергия покоя, которая может быть использована. Это энергия камня, лежащего на земле, заряда динамита, внутренняя энергия атомного ядра, химическая энергия молекул бензина, угля, белков, жиров или любых других органических веществ, потребляемых с пищей.

На самом деле единственным первоисточником энергии, обеспечивающим жизнь на 3емле, является Солнце. Около 90% энергии, идущей на нагревание 3емли и зданий, - это не энергия топлива, а бесплатная и фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Если бы не эта энергия, температура на 3емле была бы минус 270 °С и земная жизнь вообще не могла бы возникнуть. Солнечная энергия - это не только прямое солнечное тепло, но и различные вторичные формы энергии, возникающие при ее превращении в биосфере. К вторичным формам солнечной энергии относятся энергия падающей и текущей воды (гидроэнергия), ветра, биомассы растений, древесины, ископаемого топлива и др.

Формы энергии различаются по способности производить полезную работу. Ю. Одум (1986) пишет: «Не все калории одинаковы, т. е. одинаковые количества разных форм энергии могут сильно различаться по своему рабочему потенциалу». Энергия слабого ветра, прибоя может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают' высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой - высокой.

Поскольку первый закон термодинамики утверждает невозможность исчезновения энергии, то может создаться впечатление, что она всегда будет существовать в достаточном количестве. Однако бензин в баке автомобиля постепенно исчезает, так же как и энергия батарейки карманного фонарика. Если энергия не может исчезнуть, то что же мы теряем? Ответ один - мы теряем работоспособность энергии, т. е. ее качество.

Следовательно, энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Одинаковое количество энергии может совершать разное количество работы в зависимости от ее качества. Так же, например, как одинаковое количество долларов (10 $) и рублей (l0 руб.) имеют разную покупательную способность.

Качество анергии - ее способностъ совершать работу. Максимальная работа, совершаемая тем или иным видом энергии, называется эксергией (греч. ех - высшая степень, ergon - работа).

Эксергия - это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-либо параметра системы (температуры, давления и др.) от его значения в окружающей среде.

Пояснить понятие эксергии можно на примере теплоты. Температура есть мера концентрации теплоты и средней скорости движения атомов и молекул в данный момент. Например, общее количество теплоты в океане огромно, но концентрация его низкая и средняя температура воды невысока, а чашка горячего чая обладает небольшим количеством теплоты, но концентрация ее высокая, и температура тоже высока.

Если в системе количество энергии Q имеет высокую температуру Т_В, а температура окружающей среды Т_О меньше Т_В , то система совершает работу А₁ = Q (Т_В - Т_О) / Т_В Если в системе то же количество энергии Q имеет низкую температуру Т_Н< Тв, то при условии Т_Н > Т_О система выполнит работу А₂=Q(Т_Н - Т_О)/Т_Н. Очевидно, что работа, выполненная высокотемпературной тепловой энергией А₁, больше работы А₂, выполненной таким же количеством низкотемпературной тепловой энергии, так как при одном и том же количестве энергии Q разница температур в системе и окружающей среде, т. е. эксергия ее, в первом случае больше.

Безразмерная величина (Тв - Т_О)/Тв или (Тн - Т_О)/Тн характеризует эксергию, или качество энергии Q. Она выражается в долях (меняется от О до 1) или процентах (от О до 100% ). При Тв= Т_О или Т_Н = Т_О не может быть выполнено никакой работы, эксергия равна 0. Только если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю, величина (Т - Т_О) / Т будет приближаться к предельному значению, т. е. к 1 (или 100% ).

Энергия высокого качества характеризуется высокой эксергией, большой степенью упорядоченности или концентрации и обладает низкой энтропией. Носителями таких форм энергии являются: электричество, уголь, нефть, газ, бензин, ядра урана-235, высокотемпературное тепло.

Энергия низкого качества характеризуется низкой эксергией и концентрацией, неупорядоченностью и высокой энтропией. Носителем такой энергии является низкотемпературное тепло, находящееся в окружающем воздухе, в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла в Атлантическом океане больше количества энергии во всех нефтяных месторождениях Саудовской Аравии. Но океаническое тепло настолько рассеяно, что его нельзя практически использовать для полезной работы, так же как и тепло, рассеянное в воздухе.

Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества.

В природе показателем качества энергии может служить количество калорий солнечного света, которое должно рассеяться, чтобы образовалась 1 калория более высококачественной формы

Преобразование солнечного света в пищевой цепи, или цепи генерации электричества, или другой цепи превращений сопровождается уменьшением количества и повышением качества аккумулированной на каждом этапе энергии (рис. 4.4).

При образовании 1 ккал биомассы растения рассеивается 100 ккал солнечного света, т. е. приблизительно в 10 раз меньше, чем при образовании 1 ккал биомассы растительноядного животного, и в 100 раз меньше, чем при образовании 1 ккал биомассы хищника. Способность совершать работу единицы биомассы животного в соответствующее число раз выше, чем такой же биомассы растений ( см рис. 4.4), а рабочий потенциал электрической энергии в 8 раз выше рабочего потенциала древесины (рис. 4. 5).

Показанные на рис. 4.4 и 4.5 схемы, конечно, условны. Многие исследователи пытались рассчитать количество энергии, аккумулированной на каждом этапе пищевой цепи, в реальных экологических системах. Приведем некоторые данные для разных экосистем (рис. 4.6):поля люцерны (Ю. Одум, 1975), реки в Африке (В. Klimuszko, 1995), озеро Каюга в США (П. Рейвн и др., 1990), горячего источника Сильвер-Спрингс в штате Флорида (Ф. Дре, 1976).

На рис. 4.6 видно, что количество солнечной энергии при превращении ее в биомассу растений и далее в биомассу травоядных и хищников на каждом этапе уменьшается на один-два порядка. Соответственно и качество ее по сравнению с качеством солнечной энергии возрастает на один-два порядка. В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца до конечного потребителя.

В табл. 4.1 показано число килокалорий некоторых видов энергии, необходимое для получения 1 ккал условного топлива. Таблица позволяет также выразить энергию различных видов в эквиваленте условного топлива (уголь, нефть, газ). Под эквивалентом условного топлива понимается количество килокалорий условного топлива, необходимого для выполнения такого же количества работы, которое выполняет 1 ккал перечисленных видов энергии.

Таблица 4.1. Затраты энергии разного вида на получение 1 ккал условного топлива (по.Г; Одуму, Э. Одум, 1978)

Следовательно, рабочий потенциал ископаемого топлива в 2000 раз выше, чем рабочий потенциал солнечного света, но в 4 раза ниже рабочего потенциала электроэнергии. Чтобы солнечный свет выполнял работу, равную работе, производимой углем или нефтью, его надо сконцентрировать или повысить его качество в 2000 раз. Люди не смогут перевести автомобили и другие механизмы на солнечную энергию до тех пор, пока не найдут дешевого способа повышать ее качество.