Динаміка біогеоценозу. Енергетика біогеоценозу. Промениста енергія

6.3. Динаміка біогеоценозу

Динамізм біогеоценозу полягає у взаємодії біотичного та абіотичного блоків, через які протікають речовина та енергія, творячи біохімічні кругообіги й енергетику екосистеми (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Кормові і енергетичні зв'язки в лісових екосистемах.

Структура біогеоценозу – це своєрідна анатомія цього надзвичайно складного організму, динаміка – його фізіологія, яка проявляється в кількісній і якісній специфіці потоків енергії й обміну речовин. Протидія біотичних компонентів впливу зовнішніх сил і гомеостаз біогеоценозів зумовлені виключно процесами, пов'язаними з надходженням, трансформацією і використанням енергії.

6.3.1. Енергетика біогеоценозу

Енергетика біогеоценозу – це забезпеченість екосистеми енергією та її використання. Вона включає такі процеси: 1) одержання енергії від двох основних джерел – сонячної радіації (фотосинтез) і реакції окислення неорганічних речовин (хемосинтез); 2) транспортування енергії трофічними рівнями й каналами; 3) використання енергії організмами для продукування біомаси й життєдіяльності. Виділяють декілька видів енергії: променисту, теплову, хімічну і механічну. Людська діяльність спричинила появу антропогенної енергії, потужність якої щораз зростає.

Промениста енергія. На організми, які живуть на земній поверхні або близько від неї, впливає енергія, яка складається зі сонячного випромінювання і довгохвильового випромінювання тіл. Як перша, так і друга зумовлюють кліматичні умови середовища (температуру, швидкість випаровування води, рух повітря, води і т.п.).
На верхній межі біосфери із космосу надходить сонячне світло з енергією 2 кал/см кв/хв. Однак, проходячи через атмосферу, воно ослаблюється, і в ясний літній полудень до поверхні Землі може дійти не більше 67% його енергії, тобто 1,34 кал/см кв/хв.
Проходячи крізь шар хмар, воду і рослинність, сонячне світло ослаблюється ще більше, і в ньому відбувається значна зміна розподілу енергії за різними ділянками спектру (рис. 6.5). Постачання сонячної енергії до автотрофного блоку біогеоценозу протягом дня звичайно коливається у межах 100-800 кал/см кв, в середньому – 300-400 кал/см кв.

Рис. 6.5. Електромагнітний спектр і його видима частина, методи виявлення хвиль різної довжини (частоти). A (Ангстрем) = 0,1 нанометра (нм) = 0,0001 мікрометра (мкм).

Рис. 6.6. Проходження сонячної енергії через зелені рослини: Е0 – поставлена сонячна енергія; А – альбедо; Еа – асимільована енергія; Е1 – пропущена енергія.

Для продуктивності біогеоценозу і кругообігу в ньому поживних речовин найважливішим є сумарне сонячне випромінювання, яке надходить до автотрофного ярусу екосистеми (рис. 6.6). Принцип якості енергії ілюструється на рис. 6.7 двома схемами потоку енергії – природного і антропогенного.

Рис. 6.7. Підвищення якості та зниження кількості енергії в двох ланцюгах її переносу, що починаються з Сонця. А – харчовий ланцюг, Б – ланцюг використання електроенергії.

Добовий потік теплової енергії в біогеоценозі (або потік, одержаний за добу організмами, на які падає сонячне проміння) може бути в декілька разів більшим або значно меншим, ніж притік сонячного випромінювання. Зміни загального потоку випромінювання в різних ярусах екосистеми, а також його коливання залежно від сезону і від місця розташування біогеоценозу на поверхні Землі є значними. Розподіл окремих організмів за ярусами якраз і пов'язаний з цими варіантами доступу сонячної енергії. У водних і наземних екосистемах значна частина сонячної радіації витрачається на випаровування води і лише 5% фіксується в процесі фотосинтезу.
Енергетичні параметри середовища можна виміряти за допомогою відповідних приладів. Наприклад, сонячний компонент вимірюють звичайно соляриметром або піранометром. У ньому використовується термопара – спай двох металів, який під дією потоку світлової енергії генерує електричний струм, пропорційний енергії, що надходить. Інструменти для вимірювання загального потоку енергії для всіх хвиль називають радіометрами.
Промениста енергія, яка випромінюється, вимірюється у калоріях на сантиметр квадратний або в кілокалоріях на метр квадратний (ленглі). II не слід плутати з одиницею освітлюваності – люксом (1 люмен на 1 м кв). Люкси можна приблизно перевести в калорії. Наприклад, 1 люкс = 1 люмен на 1 м кв = 0,1 фут-кандела. Оскільки 1 фут-кандел = 6700 кал/см кв/хв, то 1 люкс = 670 кал/см кв/хв.
Спектр електромагнітного випромінювання Сонця розкладається на декілька відмінних за своїми фізико-біологічними властивостями відрізків: ультрафіолетову радіацію (довжина хвиль 0,19-0,39 мкм); фізіологічно активну радіацію (ФАР) (0,38-0,7 мкм); інфрачервону радіацію (0,71 – 20-24 мкм), яку поділяють на ближню (0,71-1,4 мкм) і середню інфрачервону радіацію (1,4 – 20-24 мкм). Поглинання атмосферного довгохвильового випромінювання Землі і, частково, променистих потоків Сонця зумовлює випромінення в інфрачервоному діапазоні атмосфери (довжина хвиль від 4 до 80-100 мкм), значення якого зростає вночі і взимку.
В приземному, зайнятому організмами шарі енергія електромагнітного випромінювання Сонця і атмосфери перетворюється в основному в теплову енергію, дуже невелика частина (1% сумарної радіації і 2% ФАР) за рахунок фотосинтезу – в хімічну енергію, ще менше – в механічну (процеси фізичного вивітрювання мінералів гірських порід при фазових переходах, термохімічний ефект та ін.) і електричну (встановлення електричного потенціалу рослин).