Фундаментальные концепции, связанные с энергией

Законы энергии в природе

Для функционирования экологических систем необходима энергия, которая поступает в них преимущественно в виде лучистой энергии солнечного света.

Все разнообразие процессов, явлений (изменение состояния) в природе сопряжено с превращениями энергии, при которых происходит ее переход из одной формы в другие.

Все экосистемы и биосфера в целом подчинены и регулируются теми же законами, что и неживая природа. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую. Но она не исчезает и не создается заново. Свет, например, как одну из форм энергии, можно превратить в тепло или потенциальную энергию химических связей пищи, но энергия при этом не исчезнет. Второй закон термодинамики связан с понятием энтропии.

Важнейшее свойство всех организмов экосистем – способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности. Это достигается постоянным и эффективным расходованием части недоступной, более концентрированной энергии (например, пищи), которая превращается в тепловую, используемую с трудом.

В этих соединениях энергия находится в виде химических связей. Для того, чтобы эти соединения (питательные вещества) перевести в биомассу, в организме должны протекать биохимические реакции пo синтезу соединений, нужных для построения тела. Поскольку на эту работу необходимо затратить энергию, то часть усвоенной пищи организм вынужден метаболизировать для высвобождения из нее энергии, необходимой не только для синтеза биомассы, но и для другой работы. Эта энергия высвобождается в процессе окисления усвоенной пищи, которая в живых организмах называется «дыханием», а оставшаяся часть энергии пищи перейдет в энергию химических связей биомассы организма.

Круговорот энергии в окружающей среде

Важнейший источник энергии, которая поступает в экосистему, это солнце.

Из космоса поступает солнечный свет, который попадает на самую верхнюю границу биосферы , энергия этого света равна $8,4 \ Дж / см^2$ в одну минуту. Однако, во время пути через атмосферу, она рассеивается (поглощается газами и пылью , отражается), и в безоблачный летний день до нижних слоев биосферы доходит не более $5.63 \ Дж/ см^2$ мин энергии. Число солнечной энергии, которая доходит до автотрофного слоя экосистемы за один день в умеренной зоне достигает от $420 \ до \ 3360 \ Дж/ см^2$(в среднем $1260- 1680 \ Дж/ см^2$), что составляет $4620 -6300 \ МДж/ м^2$ в год. Энергия лучей солнца, которая доходит до земной поверхности, состоит приблизительно на 10 % из УФ излучения, на 45 % из ИК излучения и на 45 % из видимого света.

Автотрофам нужна энергия солнечного света не только в виде света (для фотосинтеза), а также в виде тепловой энергии, так как процессы биосинтеза и фотосинтеза требуют определенной температуры протоплазмы. Однако, если в ходе фотосинтеза соединяется энергия красных и синих лучей (видимый свет), то в качестве источника тепла используется главным образом дальняя инфракрасная радиация, которая хорошо поглощается влагой листьев.

Гетерогтрофные организмы, потребляя биомассу автотрофов‚ энергию используют для самоподдержания, а минеральные соединения высвобождают в абиотическую среду. Следовательно, возврат минеральных соединений сопряжен с затратами энергии, источником которой является синтезированная биомасса автотрофов.

Далее энергия передается живой биомассе автотрофов пасущимися животными - фитофагам. Хотя большая часть энергии, заключенной в съеденной биомассе, будет затрачена на самоподдержание фитофагов (и, следовательно, потеряна в виде тепла), определенная ее часть перейдет в биомассу фитофагов. Фитофагов съедят хищники (это их источник энергии и минеральных соединений), и часть энергии из биомассы фитофагов перейдет в биомассу хищников. Этих хищников могут съесть другие хищники и т. д После того, как хищники погибают, их переработывают микроорганизмы, до состояния минеральных частиц, которые вновь могут быть использованы автотрофами