Энергетический обмен является фундаментальной основой существования любой экосистемы. Экосистема функционирует как открытая термодинамическая система, получающая энергию извне и преобразующая её во внутренние процессы обмена веществ и жизнедеятельности организмов. Ключевой источник энергии для биосферы — солнечная радиация, которая запускает процессы фотосинтеза и обеспечивает возможность существования трофических цепей.
Солнечная радиация поступает на поверхность Земли в виде электромагнитного излучения. Однако только часть энергии доступна для использования организмами:
Таким образом, первичная продуктивность экосистем напрямую зависит от интенсивности солнечного излучения, климатических факторов и способности растений улавливать фотоны.
Фотосинтетические организмы (автотрофы) преобразуют световую энергию в химическую энергию связей органических веществ. На молекулярном уровне это процесс фиксации СО₂ и синтеза углеводов с использованием энергии солнечного света.
Первичная продукция подразделяется на:
ЧПП является тем ресурсом, который доступен для консументов и детритофагов, формируя основу трофической пирамиды.
Энергия в экосистемах передаётся по цепям питания через трофические уровни:
На каждом уровне происходит потеря энергии в виде тепла из-за энтропийных процессов. Это соответствует второму началу термодинамики: часть энергии необратимо рассеивается.
Передача энергии между уровнями характеризуется низким КПД. В среднем лишь около 10 % энергии переходит от одного уровня к другому.
Это приводит к пирамидальной структуре экосистемы, где биомасса и энергия концентрируются на нижних уровнях.
Для количественного анализа применяются пирамиды энергии, отражающие распределение энергетических потоков. В отличие от пирамид численности и биомассы, энергетические пирамиды всегда имеют сужение к верхним уровням, поскольку потери энергии неизбежны.
Особое значение имеют:
Все живые организмы тратят энергию на поддержание гомеостаза. Дыхание обеспечивает окисление органических веществ с выделением энергии в форме АТФ. Значительная часть потенциальной энергии рассеивается как тепло.
Баланс можно выразить соотношением: ЧПП = ВПП – R, где R — дыхательные потери продуцентов.
Для всей экосистемы важным параметром является суммарная респирация (Rₑ), включающая дыхание продуцентов, консументов и редуцентов.
Редуценты (бактерии и грибы) играют ключевую роль в замыкании энергетического цикла. Они разлагают органические остатки до минеральных соединений, возвращая их в круговорот веществ. Энергия при этом окончательно рассеивается в виде тепла, что делает поток энергии в экосистеме односторонним и необратимым, в отличие от круговорота веществ.
Потоки энергии в экосистемах полностью подчиняются законам термодинамики:
Это объясняет, почему экосистемы нуждаются в постоянном притоке внешней энергии (главным образом солнечной).