Экология и концепция биосферы

Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

3.3 Информация и управление в экосистемах

Наряду с потоками и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными связями. Управление и регулир

ование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы, и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. В экосистемах живой природы действие принципа положительной обратной связи приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры.

Таким образом, тесная связь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

3.4 Энергетическая характеристика экосистем

Солнце посылает к планете Земля поток энергии, превышающий 20 млн Эдж/год (Эксаджоуль равен 1018 Дж). Из-за шарообразности Земли к границе всей атмосферы подходит только 1/4 часть этого потока. Из неё почти 70% отражается, поглощается атмосферой, излучается в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Остальное -это падающая на поверхность Земли солнечная радиация - 1,54 млн Эдж/год. 1,3% этой энергии поглощается и включается в метаболизм растений, поддерживая существование биосферы. 11,5% поглощённой энергии растениями аккумулируется в химических связях органических соединений, созданных фотосинтезом. Это энергия первичной продукции биосферы (2300 Эдж/год). Она вырабатывается множеством растительных форм в различных частях суши и океана, передаётся затем по пищевым цепям, реализуется во всех проявлениях жизни и постепенно полностью рассеивается в виде теплоты. Однако закон сохранения энергии, применим к экосистемам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, сформулированный с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как говорилось выше, в различных живых системах и охватывает длительный промежуток времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи (например, валовая энергия пищи населения Земли -25 Эдж/год), а в технике - как ископаемое топливо (уголь, нефть, газ и др.)

Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки зрения, энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше стоит источник её получения. Например, пища, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а именно зелёных растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому, если система остаётся закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т.е. придёт в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причём высококачественные формы энергии обладают более высоким рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная.

Отсюда следует, что при энергетическом подходе задача экологии по сути сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Классифицируя экосистемы с точки зрения применения их энергии в интересах развития общества и, прежде всего, его производительных сил, можно выделить четыре фундаментальных типа:

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.

2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию от других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей, океанов, большие озёра, тропические леса и др. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счёт энергии, например, морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей и т.д.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.).Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые получили распространение в сельском хозяйстве, где стала внедряться энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4.Современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, т.к. энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания – от сельского хозяйства.

 Скачать реферат