Энергии в природных сообществах
Цель: приобрести понимание важности энергии и рассмотреть
преобразование энергии в биологических системах.
1. Понятие энергии
Только энергия является истинной валютой в нашей жизни. Энергия — это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергию обычно подразделяют на потенциальную и кинетическую. Кинетическая энергия зависит от скорости движения и массы материальной точки. Кинетической энергией обладают движущиеся
предметы и электрически заряженные частицы. Потенциальная энергия — это «запасенная» энергия, энергия покоя, которая по-
тенциально может быть использована. Это и ядерная энергия атомных ядер, и химическая энергия молекул.
Основной источник энергии на нашей планете — это солнечная энергия. Под солнечной энергией понимают не только солнечное из-
лучение, но и вторичную энергию, возникающую под действием первичного излучения солнца. К основным формам вторичной энергии относятся — энергия ветра, энергия текучей воды, энергия биомассы. Энергия различается по качеству или способности совершать полезную работу. Качество энергии — это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большей степенью упорядоченности или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу и обладает низкой энтропией.
Качество энергии можно классифицировать:
– на очень высокое (электричество, реакции ядерного деления, термоядерные реакции, сильный ветер, концентрированная
солнечная энергия (в естественных условиях не встречается));
– высокое (газ, водород, бензин, уголь, пища);
– среднее (обычный солнечный свет, умеренный ветер, быстротекущая вода, дрова и отходы сельскохозяйственных культур);
– низкое качество (рассеянная энергия, низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас или в реке, озере, океане). Общее количество низкотемпературного тепла, содержащегося в Атлантическом океане, значительно превышает количество энергии высокого качества, заключенное во всех нефтяных месторождениях Саудовской Аравии. Но тепло настолько рассеяно в океане, что мы не в состоянии его использовать.
Чтобы избежать ненужных потерь энергии, лучше всего применять источник энергии того качества, которое требуется для вы-
полнения поставленной задачи, — это означает, что не следует использовать энергию более высокого качества, чем необходимо.
Чтобы горел свет, работали электродвигатели и электронные приборы, необходима электрическая энергия высокого качества. Однако для отопления помещений нужно низкотемпературное тепло. С точки зрения изучения потоков энергии важны два начала
термодинамики. Первое гласит, что энергия не может создаваться заново и исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону, при любом химическом или физическом взаимодействии, при любом перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой. Энергия, полученная или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получила от системы или отдала ей окружающая среда. В результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.
Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создавать вечный двигатель — давнюю мечту человечества, двигатель, создающий энергию из ничего. Живые системы можно рассматривать как «работающие машины», которые не могут работать без постоянного притока энергии. Хотя энергия существует во многих формах, для живых существ пригодны только две формы: световая и химическая. Те организмы, которые синтезируют органические вещества за счет энергии света, называются фототрофами, а те, которым для этого нужна химическая энергия, — хемотрофами.
2. Энергия в энергосистемах
Для поддержания своей жизнедеятельности необходима энергия, которая является самой важной ценностью на Земле. Эффективность энергетических затрат часто служит основным показателем качества природных систем. Источником энергии на Земле является Cолнце. Все живое на Земле возникло и существует благодаря его излучению. На Землю поступает 2×1020
ккал в год световой энергии. Около половины этой энергии сразу отражается в космос, другая часть расходуется на нагрев воздуха, рассеивается облаками, пылью. Большая часть лучистой энергии приходится на бесплодные территории, расходуется на переизлучение, испарение воды, нагрев почвы, воздуха и лишь около 1% достигает поверхности растений.
Доля прямого излучения наиболее высока в низких широтах, а к полюсам она уменьшается. Когда на пути потока лучистой энергии оказывается лист растения, то поток энергии может быть частично отражен, пропущен,
поглощен и только часть поглощенной энергии достигает хлоропластов и запускает процесс фотосинтеза. Из поглощенной энергии
только 1-2% идет на фотосинтез, 43% расходуется на испарение влаги, 35% — на нагрев листа, 20% — на фильтрацию лучей. Энергия излучения, связанная при фотосинтезе, проделывает свой земной путь лишь однажды. Этим она отличается от атомов химических элементов, которые неоднократно проходят через бесчисленные поколения живых существ. Солнечное излучение различается по длине волны и фотосинтезирующий аппарат растений способен усваивать диапазон
лишь около 44% всей попадающей на Землю лучистой энергии. Излучения, лежащие за пределом этого диапазона, могут играть
роль физиологических стимулов. Таким образом, налагается принципиальное ограничение на жизнедеятельность зеленых
растений. Эффективное использование лучистой энергии достигается различным строением листа, мозаичность расположения
листьев приводит к рассредоточению потока энергии.
Зеленые растения как потребители света обладают рядом ограничивающих свойств.
1. Большая часть солнечной энергии поступает на обнаженную землю, оголенные ветви.
2. На фотосинтетически активный диапазон приходится лишь около 44% лучистой энергии Солнца.
3. Максимальные значения эффективности использования лучистой энергии (3-4,5%) у морских микроскопических водорослей. У растений тропических лесов этот показатель равен 1-3%, в лесах умеренного пояса — 0,6-1,2%, в посевах сельскохозяйственных культур — 0,6%.
4. Синтез углеводов на 1 квадратный метр в сутки — около 3-4 г. В фитоценозах трансформация энергии сопровождается потерями.
Лишь около 0,1% энергии превращается в биопродукцию, но в масштабах биосферы ежегодный прирост органики — 150 млрд т.
С потоком энергии связана продуктивность экосистем. Проходя через живые организмы экосистемы, в окружающую среду выделяется низкоэффективная тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается. Процентное содержание энергии высокого качества, переходящей из одного трофического уровня в другой, колеблется от 2 до 30%. Подсчитано, что в дикой природе в среднем около 10% доступной высококачественной химической энергии одного трофического уровня трансформируется в доступную химическую энергию в организмах следующего уровня. Большая часть энергии теряется в окружающей природе как тепловая энергия низкого качества в соответствии со вторым началом термодинамики. Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной высококачественной энергии. Пирамида энергетических потоков объясняет, почему можно прокормить большее число людей, если сократить пищевую цепь до прямого потребления зерновых, чем если в качестве пищи использовать животных, потребляющих зерно. Чтобы избежать белкового недоедания, вегетарианское питание должно состоять из разнообразных растений.
3. Энергетические закономерности
1. Во Вселенной количество энергии постоянно. Мы не можем создавать или разрушать энергию, мы можем лишь менять ее форму. Мы не можем получать энергию, не производя энергетических затрат.
2. Концентрированная энергия (уголь, нефть, уран) является энергией высокого качества и может быть использована. Использование рассеянной низкокачественной энергии ограничено.
3. Для совершения работы необходима энергия высокого качества, которая не может быть повторно использована. Необходимо
обдуманно выбирать источники энергии.
4. На Земле только растения способны улавливать и концентрировать космическую энергию Солнца. От состояния растений
зависит жизнь и благополучие. Для характеристики энергии Солнца можно применить четыре коротких слова: избыточная, чистая, постоянная, вечная.
Избыточная — менее 1% поступающей на Землю энергии усваивается растениями.
Чистая — хотя на Солнце идут термоядерные реакции, все они очень далеки от Земли (150 млн км).
Постоянная — cолнечная энергия всегда доступна.
Вечная — Солнце может погаснуть только через несколько миллиардов лет.
4. Производство и потребление энергии
Потребляемая энергия производится в результате преобразования других видов энергии. Различают три основных способа ее преобразования. Первый — получение тепла при сжигании топлива и потребление его для обогревания. Второй — преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу. Третий — преобразование тепла, выделяемого при сгорании топлива, в электрическую энергию с последующим ее потреблением для различных целей. Здесь электрическая энергия выступает как посредник. Самой энергоемкой отраслью является химическая промышленность. В общих затратах на производство многих видов продукции на долю электроэнергии приходится 19-25%. Для карбита кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для ацетатальдегида — 35-70%. Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Так, КПД тепловых электростанций составляет около 40%, атомных — 32%. Особенно велики потери, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Большими потерями сопровождается передача энергии на расстояние.
Тепловые электростанции. Энергия, выработанная при сгорании, преобразуется в электрическую. КПД — 40%. Охлаждающей воде передается 75% тепловых отходов. Идет тепловое загрязнение воды.
Гидроэлектростанции. Потенциальная энергия падающей воды преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины, которая в свою очередь превращается электрическую. КПД около 60%, но строительство обходится дорого и нарушается экологическое равновесие.
Приливные электростанции. Стоимость строительства в 2,5 раза выше сооружения гидроэлектростанции, но низкая себестоимость и минимальный ущерб окружающей среде.
Геотермальные источники энергии. Резерв экологически чистой и возобновляемой тепловой энергии. Исландия с помощью этой энергии полностью обеспечивает свои потребности. Но ее трудно закачать в систему, повреждаются турбины, так как вода содержит много солей и могут загрязняться водоемы. Тепловые загрязнения, гейзер не вечен.
Гелиоэнергетика. КПД от 12 до 50%. Преобразует энергию электромагнитного излучения в электрическую. Главное препятствие — низкая интенсивность солнечного излучения, поэтому коллекторы нужно размещать на огромной площади и огромных размеров. Это материалоемкая и трудоемкая энергия.
Ветроэнергетика. В 1910 году в нашей стране было около миллиона ветряных мельниц. Дешевая энергия. Запасы неисчерпаемы, особенно расположенные на море, где можно получать в 2,5 раза больше энергии, чем на суше. Экологически безопасны, но могут создавать помехи для радио- и телепередач. Требуются прочные конструкции, проблемы обслуживания башен, варьирует скорость ветра или он отсутствует.
Атомная энергетика. Создает 17% мирового объема энергии, в
России — около 15%. Проблемы с безопасностью эксплуатации.
Задания
1. Изучить вопросы по теме.
2. Рассчитать коэффициент полезного действия при передаче энергии в каждом звене пищевой цепи, решить задачи.
3. Сравнить примеры продуктивности различных экосистем и выделите наиболее продуктивные. Рассчитать структуру площадей экосистем, биомассу различных типов экосистем, заполнить таблицу.
4. Рассчитать годовую биомассу различных типов экосистем и ее структуру, выявить наиболее продуктивные и наименее
продуктивные экосистемы.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 1. Экологи в шутку подсчитали, что для того чтобы прокормить в течение года одного мальчика массой 45 кг, достаточно четырех с половиной телят общей массой в 1035 кг, а для них — 20 млн растений люцерны с биомассой 8,2 т. Энергия, заключенная в такой массе люцерны, составляет 14,9 млн калорий, в телятах содержится 1,19 млн калорий, а в мальчике остается из этого количества 8300. Рассчитайте коэффициент полезного действия при передаче энергии в каждом звене пищевой цепи. Какое количество солнечной энергии нужно для поддержания жизни мальчика, если учесть, что КПД продукции люцерны составляет в данном случае 0,24%?
Задача 2. Рассчитайте эффективность (КПД) передачи энергии в основных звеньях пищевой цепи в океане, исходя из следующих цифр. На 1 кв. м поверхности океана приходится в среднем около 3 млн калорий солнечной энергии в сутки. Продукция диатомовых водорослей за этот же период на эту же площадь составляет 9 000 калорий, зоопланктона — 4 000, рыб — 5 калорий
в сутки. Для сравнения: коэффициент полезного действия лампы накаливая 5%, двигателя внутреннего сгорания — 10%, люминес-
центной лампы — 22%, мышц человека — 25%.
Задача 3. Сравните примеры продуктивности различных экосистем (в граммах сухого вещества на квадратный метр пло-
щади в сутки):
• меньше 1 г — пустыни и глубокие моря;
• 1-3 г — луга, горные леса, пашни, мелкие моря, глубокие озера;
• 3-10 г — степи, мелкие озера, леса умеренной полосы, орошаемые поля;
• 10-25 г — коралловые рифы, заросли папируса, тропические
леса, болота.
Можно ли вырубать тропические леса и выращивать на их месте урожаи, нужно ли использовать под сельскохозяйственные куль-
туры болота? Скорость образования биомассы растениями в пересчете на единицу площади называется первичной продукцией. Ее можно выразить в единицах энергии (джоуль на 1 м² за сутки) или сухого органического вещества (килограммов на 1 га за год). Суммарную фиксированную в процессе фотосинтеза энергию называют валовой первичной продукцией (ВПП). Часть еерасходуется на дыхание самих растений и на другие физиологические процессы (Д). Разность между ВПП и Д называют чистой первичной продукцией (ЧПП). Она представляет собой фактическую скорость наращивания биомассы, доступной для потребления гетеротрофными организмами. В 1964-1974 гг. во всем мире проводился сбор информации о продуктивности экосистем и влияющих на нее факторах.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое потенциальная и кинетическая энергия?
2. Какие источники энергии существуют на нашей планете?
3. Какую энергию называют высококачественной и низкокачественной?
4. Как проявляет свое действие первое начало термодинамики в биологических системах?
5. Как проявляет свое действие второе начало термодинамики. Понятие «энтропия»?
6. Что такое продуктивность экосистем?
7. Привести пример действия правила экологической пирамиды в сельскохозяйственном производстве.