Мы знаем, что для того, чтобы что-нибудь сделать, надо затратить энергию. Без затрат энергии ничего добиться нельзя. Без труда не выловишь и рыбку из пруда. Но специалист-физик, да и просто добросовестный десятиклассник скажет, что это неправильно. Неправильно в принципе. Неправильно потому, что "энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново". Это является законом, первым законом термодинамики. Законом, который никогда и нигде не нарушался и, видимо, нарушаться не будет. Значит, затратить или произвести энергию нельзя в принципе. Этого не может сделать никто: ни человек, ни самые хитроумные машины, ни животные, ни растения. Количество энергии во Вселенной, каким оно было "от сотворения Мира", таким остается и по сей день и будет одним и тем же вечно, покуда будет существовать этот Мир, а возможно (видимо) и дольше. То же самое надо сказать и о веществе. Все оно, абсолютно все, сохраняется. Оно только меняет, форму, структуру. Но это более понятно, тем более тем, кто знает формулу А. Эйнштейна E=mc2, где Е— энергия, m— масса вещества, с— постоянная, равная скорости света. Раз не меняется количество энергии, то не меняется и количество вещества. Это логично.
Имеется и третья величина, которая никогда не исчезает. Правда, она, видимо, может образовываться. Это— информация. Информация обо всем происходящем в любом уголке Вселенной, будь то на вашем рабочем столе или внутри клетки вашего организма, поступает в информационное поле Вселенной и остается там вечно, никогда не исчезая. Эта информация, несомненно, наиболее важная часть Вселенной, а точнее, ее основа, основа всего того, что составляет Вселенную. Поэтому примитивно и ограниченно звучат заключения экологов-биологов, что "все взаимодействия между живым и неживым ограничиваются обменом веществом и энергией". А где информация, тот генплан, по которому и была создана Вселенная, то, благодаря чему и обеспечивается единство Вселенной и согласованность всех действий в ней? Но вернемся к энергии. Если количество энергии, несмотря ни на что, всегда остается неизменным (энергия расходоваться не может в принципе!), то что же происходит, например, когда мы выполняем работу?
Поясним это на примере. Был построен красивый дворец. Кирпичи были сложены в определенном порядке. Прошли тысячелетия. Этот порядок установки кирпичей превратился в беспорядок, в полный беспорядок, по которому никакой археолог не сможет восстановить (в уме или на бумаге) разрушенный временем дворец. Время разрушает все. Точно то же самое происходит и с энергией: она из энергии, в которой был порядок, с течением времени стремится превратиться в энергию, в которой уже порядка меньше или вовсе его нет. Вы включили электроплиту. Она раскалилась. Температура ее стала намного выше, чем температура воздуха на кухне. Электроплита, в данном случае, служит источником упорядоченной энергии: эта энергия собрана в одно место, вы можете на плите вскипятить воду и т. д. Но когда вы плиту выключите, она начинает остывать. Что это значит? А то, что упорядоченная энергия становится менее упорядоченной, или, в данном случае, и вовсе неупорядоченной. Упорядоченная энергия— это та энергия, тот вид энергии, который легко использовать для того, чтобы произвести какие-либо изменения с веществом.
Таким образом, количество энергии, вещества и информации не меняется. Меняется в Мире только одно— упорядоченность. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не меняется количественно. Второй закон термодинамики гласит, что если этому не мешать, то всегда идет процесс уменьшения порядка — беспорядок растет. Применительно к энергии это значит, что идет превращение упорядоченных видов энергии в менее упорядоченные и так до предела, пока энергия не будет рассеяна в пространстве абсолютно равномерно. Выключенная электроплита через какое-то время остынет, а вернее, ее температура станет в точности равной температуре окружающего воздуха. В пределах кухни произойдет полное выравнивание температуры, всякая упорядоченность энергии будет устранена, и в этом смысле восторжествует полный, абсолютный беспорядок. Мы можем кухню расширить на всю Вселенную (мысленно, конечно) и "выключить" все электроплиты-звезды и другие источники тепла. Что тогда? То же самое, что и на кухне — через некоторое время упорядоченность энергии должна исчезнуть, должен наступить полный, абсолютный беспорядок (в смысле энергии) — энергия будет равномерно, абсолютно равномерно распределена в пространстве. Второй незыблемый закон термодинамики гласит, что в конце концов все стремится к полному, абсолютному беспорядку, если только никто и ничто этому не препятствует. В физике (термодинамике) этот закон называют законом энтропии, а также Законом непрерывного, неизменного стремления энтропии к увеличению. Везде, где этому нет противодействия, энтропия растет, стремится расти, все выравнивая. Закон открыт (а точнее, сформулирован) в физике. Но он работает везде. По этому закону, в обществе необходимо постоянно, ежеминутно вносить упорядоченность. Чем эффективнее это будет делаться, тем дольше общество будет в состоянии сопротивляться росту энтропии, росту беспорядка. Можно это делать с помощью только принудительной системы, тогда можно обеспечить упорядоченность в обществе на десятилетия. Можно же делать это более эффективно — через воспитание граждан и организацию такого функционирования общества (конечно, не без принуждения), когда общество сможет сопротивляться наступлению полного беспорядка столетия и тысячелетия. История знает такие примеры.
Смысл слова "энтропия" из сказанного выше ясен. Само слово энтропия (от греч. тропос, что значит другой) значит исключение всего иного, другого, наступление полного выравнивания, полного беспорядка. Вспомните, от этого же слова (тропос) происходит тропосфера, область атмосферы, где имеет место иное, другое изменение с высотой температуры воздуха: ниже тропосферы температура с ростом высоты уменьшается, а в тропосфере — увеличивается.
Задача серии книг "Единая картина Мира" состоит в том, чтобы помочь читателю овладеть правильным мировоззрением, миропониманием, мировосприятием. Правильным— в смысле, соответствующим современному уровню знаний. Рассматриваемый здесь вопрос энергии в этом плане очень принципиален, во всяком случае не меньше, чем вопрос информации.
После такого общего вводного рассмотрения перейдем к рассмотрению проблемы прохождения энергии через экосистемы. Экосистема состоит из живого и неживого. Именно живое выполняет задачу — увеличивать упорядоченность, противодействовать наступлению полного беспорядка, хаоса. Полный беспорядок, хаос наступит тогда, когда вся энергия будет превращена в тепловую энергию и эта тепловая энергия будет рассеяна равномерно во всем пространстве. О какой энергии (первоначальной) мы говорим? Конечно, об энергии Солнца. Большая часть энергии, благодаря прохождению которой существует, функционирует наша экосистема — биосфера Земли, — это энергия, приходящая к нам от Солнца. Причем через биосферу с пользой, с отдачей проходит очень малое количество этой энергии. Убедитесь сами. Солнечная энергия в виде волнового солнечного излучения, солнечных лучей падает на зеленый лист дерева, например, дуба. Этот лист может оприходовать только два процента падающей на него энергии. Остальные 98% солнечной энергии теряют свою упорядоченность, поскольку сильно рассеиваются и превращаются в тепловую рассеянную энергию. Если бы кто-то упорядочил эту энергию, собрал ее в определенном месте, организовал ее, то он тем самым противодействовал бы непрерывной деградации энергии, то есть росту энтропии. Растение, которое взяло на себя 2% солнечной энергии, сохраняет ее упорядоченность, поскольку в результате фотосинтеза создаются вещества (пища для других живых организмов — консументов) , которые концентрируют энергию, упорядочивают ее. Дальше эта энергия проходит по всей пищевой цепочке. Правда, при переходе от одного звена к другому, более высокому по рангу (например, от продуцента к первичному консументу или же далее, от первичного консумента ко вторичному консументу), большая часть энергии опять же теряется, рассеивается в виде тепла. Поэтому широкое основание экологической энергетической пирамиды по мере перехода от одного трофического уровня к другому в конце концов сходит на нет на вершине пирамиды. Если бы энергия не рассеивалась, а вся оставалась упорядоченной при переходе от одного трофического уровня к другому, то мы имели бы всегда дело не с пирамидами, а с параллелепипедами — на любом уровне энергия (сечение параллелепипеда) была бы одна и та же.
Для характеристики стремительности уменьшения количества энергии в экологической энергетической пирамиде экологи используют понятие качества энергии. Смысл его понятен из такого примера. От Солнца на один квадратный метр поступает один миллион килокалорий. Часть этой энергии (примерно 2%) синтезируют растения. Растения поедают травоядные животные. При этом опять же только малая часть энергии связывается, другая часть превращается в тепло. Далее, это травоядное животное становится жертвой хищника (вторичного консумента) . Снова только малая часть энергии сохраняется (в хищнике). Остальная часть энергии рассеивается. Допустим, что на уровне хищника осталось нерассеянной из одного миллиона только сто килокалории. При переходе от Солнца, а затем от одного трофического уровня ко второму, а затем и к третьему нерассеянная энергия уменьшилась в сто тысяч раз. Специалисты считают, что во столько же раз увеличилось качество энергии. Принцип здесь простой: на сколько уменьшилось количество энергии, настолько увеличилось ее качество. Таким образом, качество энергии в экосистеме определяется тем количеством энергии определенного типа, которая затрачена на получение энергии данного типа (данного трофического уровня).
Для того, чтобы данный потребитель смог воспринять данную энергию, она должна быть определенного качества. Так, заяц не может путем фотосинтеза воспринять солнечную энергию. Ему нужна травка, которая это способна сделать. Значит, заяц может воспринимать энергию только на одну ступень более высокого качества, чем травка. Лиса же, пожирающая зайца, воспринимает энергию еще на одну ступень более высокого качества. И так далее. Проходя по пищевой цепи, энергия меняет свое качество. Это происходит благодаря живым организмам на разных трофических уровнях. В разных экосистемах трофические уровни могут существенно различаться. Это определяется характеристиками экосистем: из каких видов, каких сообществ она состоит и как они сочетаются. Ясно, что эффективность по повышению качества энергии у экосистем также будет разная.
Специалисты используют понятие экологической эффективности для характеристики отношения между трофическими (пищевыми) уровнями, а также при оценках отношения внутри трофических уровней. В первом случае различают такие понятия:
1. Эффективность поглощения энергии трофическим уровнем. Это отношение энергии, поступившей на данный уровень, к таковой на предыдущем уровне .
2. Эффективность ассимиляции трофического уровня. Это аналогичное указанному выше отношение ассимиляции.
3. Эффективность продукции трофического уровня. Это отношение продукции биомассы на данном уровне к таковому на предыдущем уровне.
Иногда используют и понятие "эффективность использования". Под ним понимают или отношение энергии, поступающей на данный уровень, к продукции биомассы на предыдущем уровне, или отношение ассимиляции на данном уровне к той же величине — продукции биомассы на предыдущем трофическом уровне.
В случае оценок в пределах одного трофического уровня используют такие отношения:
1. Эффективность роста тканей или продукции— это отношение продукции биомассы к ассимиляции (на одном и том же уровне).
2. Экологическая эффективность роста — это отношение продукции биомассы к поступлению энергии на одном и том же уровне.
3. Эффективность ассимиляции— отношение ассимиляции к поступлению энергии на одном и том же уровне.
Экологи ратуют за то, чтобы мы не транжирили энергию высокого качества там, где можно обойтись энергией более низкого качества. Например, отопление домов можно производить с помощью солнечных батарей (солнечная энергия), поэтому грешно на это расходовать уголь, газ, мазут ит. д., поскольку они являются источником энергии более высокого класса. Здесь различие в качестве достигает 2000. Это значит, что для того, чтобы солнечный свет выполнял ту работу, которую сейчас производят нефть или уголь, световую энергию надо сконцентрировать (повысить его качество) в 2000 раз. Не будем забывать, что своим существованием эти источники энергии высокого качества обязаны живым организмам, они образовались на определенной стадии пищевой цепи.
Из рассмотренного выше ясно, что только живое вещество (растения, животные, микроорганизмы) самим своим существованием поддерживают упорядоченность энергии, повышая ее качество. Американский эколог Ю. Одум считает, что "экология изучает связь между светом и экологическими системами, а также способы превращения энергии внутри систем". Это, несомненно, верно. Только предмет экологии этим не исчерпывается, о чем свидетельствует содержание данной книги. Скорость, с которой продуценты (зеленые растения) усваивают солнечную волновую энергию путем фотосинтеза или хемосинтеза и тем самым накапливают энергию в виде органических веществ, называют первичной продуктивностью. В процессе фотосинтеза растения тратят часть органических веществ на свою жизнь, на дыхание. Если эту энергию не вычитать из ассимилированной растением солнечной энергии, то первичную продуктивность называют валовой. Употребляют также термины "валовый фотосинтез" и "общая ассимиляция". Если же энергию, израсходованную растением на дыхание, все же вычесть, то останется чистая первичная продуктивность. Ее еще называют наблюдаемым фотосинтезом, а также "чистой ассимиляцией". Растения на дыхание тратят примерно половину энергии, которую они оприходовали в процессе фотосинтеза. Если же первичную энергию, но уже не солнечную, а в виде гнили, трупа и т. д. воспринимают гетеротрофы, то чистая продуктивность их сообщества определяется по тому же принципу — это скорость накопления органического вещества в результате деятельности гетеротрофов минус та энергия, которая уходит на их жизнь. Это были первичные преобразователи энергии— продуценты и гетеротрофы. Но энергию накапливают и живые организмы на каждом последующем трофическом уровне. Это уровни консументов. Скорость этого накопления называют вторичной продуктивностью, не различая валовую и чистую продуктивность, поскольку консументы только используют питательные вещества, которые были созданы ранее.
Когда в этот процесс вмешивается человек (например, выращивая овощи или злаки и т. п.), то распределение продуктивности может меняться. Ведь человек может вносить энергию и тем самым уменьшать потребление энергии на дыхание растений из первоисточника. Тогда больше энергии из первоисточника перейдет в продукцию. Энергию, вносимую человеком в экосистему, экологи называют энергетической субсидией, или же вспомогательным потоком энергии.