§47. Biogeokemični cikel kot osnova za obstoj biosfere. Glavne vrste energije v biosferi. Zakoni termodinamike ekosistemov

Biosfera je odprt sistem. Njegov obstoj je nemogoč brez oskrbe z energijo od zunaj. Glavni delež prihaja iz sončne energije. Za razliko od količine sončne energije je število atomov snovi na Zemlji omejeno. Kroženje snovi zagotavlja neizčrpnost posameznih atomov kemičnih elementov. V odsotnosti kroženja, na primer, za kratek čas glavni "gradbeni material" živih bitij - ogljik - bi bil izčrpan.

Za zemeljsko biosfero je značilen določen ustaljen cikel snovi in ​​pretok energije. Kroženje snovi - ponavljajoča se udeležba snovi v procesih, ki se pojavljajo v atmosferi, hidrosferi in litosferi, vključno s tistimi plastmi, ki so del biosfere Zemlje. Kroženje snovi poteka z neprekinjenim tokom sončne energije.

Glede na gonilno silo lahko z določeno mero konvencije znotraj kroženja snovi ločimo geološke, biološke in antropogene cikle. Pred nastankom človeka na Zemlji sta bili uresničeni le prvi dve.

Geološki cikel - kroženje snovi, katerega gonilna sila so eksogeni in endogeni geološki procesi. Geološko kroženje snovi poteka brez sodelovanja živih organizmov.

Biološki cikel - kroženje snovi, katerega gibalo je delovanje živih organizmov. S prihodom človeka je nastal antropogeni cikel ali metabolizem.

Antropogeni cikel (izmenjava)- kroženje (metabolizem) snovi, katerega gonilo je človekova dejavnost. V njem sta dve komponenti: biološki povezana z delovanjem človeka kot živega organizma in tehnične povezana z gospodarskimi dejavnostmi ljudi ( tehnogeni cikel (menjava).

Za razliko od geoloških in bioloških ciklov snovi je antropogeni cikel snovi v večini primerov odprt. Zato pogosto ne govorijo o antropogenem ciklu, temveč o antropogenem metabolizmu. Odprtost antropogenega cikla snovi vodi do izčrpavanje naravnih virov in onesnaževanje okolja. So glavni vzrok vseh okoljskih problemov človeštva.

Oglejmo si cikle najpomembnejših snovi in ​​elementov za žive organizme (sl. 27-30).

riž. 27.

riž. 29.

Vodni krog med zemljo in oceanom skozi ozračje se nanaša na veliki geološki cikel. Voda izhlapeva s površine oceanov in se prenaša na kopno, kjer pade v obliki padavin, ki se vrnejo v ocean v obliki površinskega in podzemnega odtoka, ali pa kot padavine pade na površino oceana. Več kot 500 tisoč km 3 vode letno sodeluje v vodnem krogu na Zemlji. Kroženje vode kot celota igra pomembno vlogo pri oblikovanju naravnih razmer na našem planetu. Ob upoštevanju transpiracije vode v rastlinah in njene absorpcije v biogeokemičnem ciklu se celotna zaloga vode na Zemlji poruši in obnovi v 2 milijonih letih.

Ogljikov cikel. Proizvajalci zajemajo ogljikov dioksid iz ozračja in ga pretvarjajo v organske snovi, konzumenti absorbirajo ogljik v obliki organskih snovi s telesi proizvajalcev in konzumentov nižjih redov, razkrojevalci mineralizirajo organske snovi in ​​vračajo ogljik v ozračje v obliki ogljikovega dioksida. . V Svetovnem oceanu je kroženje ogljika zapleteno zaradi dejstva, da nekaj ogljika, ki ga vsebujejo mrtvi organizmi, potone na dno in se kopiči v sedimentnih kamninah. Ta del ogljika je izključen iz biološkega cikla in vstopi v geološki cikel snovi.

Glavni rezervoar biološko vezanega ogljika so gozdovi, v njih je do 500 milijard ton tega elementa, kar je 2/3 njegove zaloge v ozračju. Človekov poseg v kroženje ogljika (izgorevanje premoga, nafte, plina, razvlaževanje) povzroči povečanje vsebnosti CO 2 v ozračju in razvoj učinka tople grede.

Hitrost kroženja CO 2, to je čas, v katerem gre ves ogljikov dioksid v ozračju skozi živo snov, je približno 300 let.

Kroženje kisika. Kroženje kisika poteka predvsem med ozračjem in živimi organizmi. V bistvu prosti kisik (0 2) pride v ozračje kot posledica fotosinteze zelenih rastlin, porablja pa se v procesu dihanja živali, rastlin in mikroorganizmov ter pri mineralizaciji organskih ostankov. Iz vode in ozona pod vplivom ultravijoličnega sevanja nastane majhna količina kisika. Veliko število kisik se porabi za oksidativne procese v zemeljski skorji, med vulkanskimi izbruhi itd. Glavni delež kisika proizvajajo kopenske rastline - skoraj 3/4, ostalo - fotosintetični organizmi Svetovnega oceana. Hitrost cikla je približno 2 tisoč let.

Ugotovljeno je bilo, da se letno porabi 23% kisika, proizvedenega med fotosintezo, za industrijske in gospodinjske potrebe, ta številka pa se nenehno povečuje.

Kroženje dušika. Zaloga dušika (N2) v ozračju je ogromna (78 % njegove prostornine). Vendar rastline ne morejo absorbirati prostega dušika, ampak le v povezana oblika, predvsem v obliki MN 4 + ali N03". Prosti dušik iz atmosfere vežejo bakterije, ki vežejo dušik, in ga pretvorijo v rastlinam dostopne oblike. V rastlinah je dušik fiksiran v organskih snoveh (v beljakovinah, nukleinskih kislinah itd.). .) in se prenašajo po prehranjevalnih verigah Po odmiranju živih organizmov razkrojevalci mineralizirajo organske snovi in ​​jih pretvorijo v amonijeve spojine, nitrate, nitrite ter prosti dušik, ki se vrne v ozračje.

Nitrati in nitriti so zelo topni v vodi in lahko migrirajo v podtalnico in rastline ter se prenašajo po prehranjevalnih verigah. Če je njihova količina prevelika, kar pogosto opazimo pri nepravilni uporabi dušikovih gnojil, pride do onesnaženja vode in hrane, kar povzroča bolezni ljudi.

Pretok energije v biosferi. Živa lupina planeta nenehno absorbira ne samo sončno energijo, ampak tudi tisto, ki prihaja iz črevesja Zemlje; energija se transformira in prenaša iz enega organizma v drugega ter seva v okolje. Jasno bi morali razumeti, kateri so viri energije v biosferi, kam tečejo energetski tokovi in ​​kakšna je njihova vloga pri nastajanju biomase.

Omenjeno je bilo že, da je edini primarni vir zunanje energije na Zemlji svetloba in toplotno sevanje Sunja (glej 2. poglavje). Vsako leto na zemeljsko površje pade približno 21.1023 kJ, od tega le približno 40% na območja Zemlje, pokrita z rastlinami, pa tudi na rezervoarje z vegetacijo v njih. Ob upoštevanju izgube energije sevanja zaradi odboja in drugih razlogov ter energijskega izkoristka fotosinteze, ki ne presega 2%, bo skupna količina energije, shranjene letno v produktih fotosinteze, približno 20 1022 kJ. Poleg ustvarjanja čistih proizvodov živa pokrovnost uporablja energijo, ki jo zajema od sonca, za proces dihanja. Ti stroški energije predstavljajo približno 30-40 % energije, porabljene za ustvarjanje čistih izdelkov. Tako kopenska vegetacija na leto skupaj pretvori približno 4,2 1018 kJ sončne energije (za dihanje in ustvarjanje čistih produktov).

Nastanek in obstoj biomase je neločljivo povezan z oskrbo z energijo in snovmi iz okolja. Večina snovi v zemeljski skorji prehaja skozi žive organizme in je vključena v biološki cikel snovi, ki je ustvaril biosfero in določa njeno stabilnost. Z energetskega vidika je življenje v biosferi podprto s stalnim dotokom energije iz Sonca in njeno uporabo v procesih fotosinteze. Tok sončne energije, ki ga zaznavajo molekule živih celic, se pretvori v energijo kemičnih vezi. V procesu fotosinteze rastline uporabljajo sevalno energijo sončne svetlobe za pretvorbo snovi z nizko vsebnostjo energije (CO2 in H2O) v kompleksnejše organske spojine, kjer se del sončne energije shrani v obliki kemičnih vezi.

Organske snovi, ki nastanejo v procesu fotosinteze, služijo kot vir energije za samo rastlino ali pa se prenašajo v procesu prehranjevanja in kasnejše asimilacije iz enega organizma v drugega: od rastlin do rastlinojedcev, od njih do mesojedcev itd. Do sproščanja energije, ki jo vsebujejo organske spojine, pride tudi v procesu dihanja ali fermentacije, uničenje uporabljene ali odmrle ostanke biomase pa izvajajo različni organizmi, ki jih uvrščamo med saprofite (heterotrofne bakterije, glive, nekatere živali in rastline). Preostalo biomaso razgradijo na anorganske sestavine (mineralizacija), kar olajša vključevanje spojin in kemičnih elementov v biološki cikel, kar zagotavlja redne cikle proizvodnje organskih snovi. Naj poudarimo, da energija, ki jo vsebuje hrana, ne kroži, ampak se postopoma pretvarja v toplotno energijo. Posledično se sončna energija, ki jo organizmi absorbirajo v obliki kemičnih vezi, spet vrača v vesolje v obliki toplotnega sevanja. Zato biosfera potrebuje stalen dotok energije od zunaj. To najpomembnejšo funkcijo opravlja Sonce, ki zagotavlja stalen pretok energije skozi biosfero več milijard let. V tem primeru kratkovalovno sevanje (svetloba) prihaja na Zemljo, dolgovalovno toplotno sevanje pa jo zapušča. Pomenljivo je, da ravnovesje teh energij ni ohranjeno: planet oddaja v vesolje nekoliko manj energije, kot je prejme od Sonca. To razliko (delke odstotka) absorbira biosfera in postopoma, a nenehno kopiči energijo. Izkazalo se je, da je dovolj, da se nekoč na planetu pojavi življenje, da nastane biosfera, ki bo še naprej podpirala vse veličastne procese razvoja planeta.

Produktivnost biosfere. Sodobna biomasa Zemlje je približno 1.841.1012 ton (glede na suho snov). Hkrati je biomasa kopnega približno 1,837 1012 ton, svetovnega oceana - 3,9 109 ton, kar je posledica manjše učinkovitosti fotosinteze, saj je uporaba sevalne energije sonca na območju oceana 0,04. %, na kopnem - 0,1 %. Zelene rastline predstavljajo 99 % kopenske biomase, živali in mikroorganizmi pa 1 %. Biomasa na kopnem je razporejena neenakomerno in narašča od polov proti ekvatorju, povečuje pa se tudi vrstna pestrost.

Prispevek različnih celin k skupni primarni proizvodnji zemlje je približno naslednji (N. M. Chernova et al., 1995): Evropa - 6, Azija - 28, Afrika - 22, Severna Amerika - 13, Južna Amerika - 26, Avstralija z otoki Oceanija - 5%. Če primerjamo produktivnost rastlin na 1 hektar, potem je (kot odstotek povprečja za vse celine) v Evropi - 89, v Aziji - 103, v Afriki - 108, v Severni Ameriki - 86, v Južna Amerika- 220, v Avstraliji - 90. Hkrati je produktivnost različnih ekoloških sistemov različna, odvisna je od številnih podnebnih dejavnikov, predvsem od zagotavljanja toplote in vlage. Najbolj produktivni ekosistemi so tropski gozdovi, sledijo jim obdelovalne površine, stepe in travniki, puščave in polarna območja.

Naj poudarimo, da je biomasa Svetovnega oceana skoraj 1000-krat manjša od biomase kopnega, čeprav njegova površina zavzema 72,2 % celotne površine Zemlje. Vendar pa je specifična produktivnost oceanskih biocenoz tako visoka, da fitomasa oceanov, ki je v primerjavi s kopnim nepomembna, letno ustvari neto proizvodnjo, primerljivo z neto proizvodnjo na kopnem. Tako se v oceanih letno oblikuje 5,51 1010 ton rastlinske mase, kar je približno tretjina celotne proizvodnje biomase planeta.

Rast in razmnoževanje organizmov v biosferi zagotavljata biogeno migracijo atomov, ki je v procesu evolucije določila nastanek sodobnega naravnega sistema. V stotinah milijonov let so rastline absorbirale ogromne količine ogljikovega dioksida in hkrati obogatile ozračje s kisikom. Živi organizmi globoko vplivajo na naravne lastnosti biosfere in celotnega planeta. Okostja nevretenčarjev so tvorila sedimentne kamnine, kot sta apnenec in kreda; Iz rastlinskih ostankov sta nastala premog in nafta. Tla, ki so produkt vitalne dejavnosti mikroorganizmov, rastlin in živali v njihovi interakciji z anorganskimi sestavinami narave, imajo tudi biogeni izvor. Pomembno je poudariti, da je pojav v procesu evolucije bolj zapletenih organizmov, vendar manj odvisnih od sprememb v okolju, kot tudi razvoj relativno stabilnih ekosistemov povzročil povečanje hitrosti gibanja energije in snovi. v oblikovanih biogeocenozah.

Predstavimo podatke, ki jasno kažejo »pritisk življenja«. Skupna masa žive snovi, ki je na Zemlji vsaj 1 milijardo let, že presega maso zemeljske skorje. Dejansko je biomasa Zemlje 1,84 1012 ton, tj. približno 0,00001% zemeljske skorje (2 1019 ton), je letna proizvodnja žive snovi blizu 1,7 1011 ton.Če predpostavimo, da je bila zadnja milijarda let ta proizvodnja blizu sodobne, lahko izračunamo njeno skupno količino: 1,710 109 = 1,7 1020 t, tj. skoraj za red velikosti večja od mase zemeljske skorje. Po mnenju N.M. Chernova, če bi bilo mogoče zbrati vso biomaso, proizvedeno na Zemlji v zadnjih 600 milijonih let, bi Zemljo prekrila s plastjo več sto kilometrov.

Po mnenju V.I. Vernadskega, je zgoraj omenjeni »film življenja« že dolgo glavna geološka sila, ki daje sodoben videz trem lupinam Zemlje: litosferi, hidrosferi in atmosferi. Razvoj in značaj teh lupin ne določajo več astronomski, temveč biogeni dejavniki. Edina izjema so manifestacije vulkanske aktivnosti, ki jih ustvarjajo globoke geofizične plasti Zemlje.

Biosfera je odprt termodinamični sistem, ki prejema energijo v obliki sevalne energije Sonca in toplotno energijo iz procesov radioaktivnega razpada snovi v zemeljski skorji in jedru planeta. Radioaktivna energija, katere delež v energetski bilanci planeta je bil pomemben v abiotskih fazah, zdaj ne igra opazne vloge v življenju biosfere, glavni vir energije pa je danes sončno sevanje. Vsako leto Zemlja prejme energijo od Sonca, kar je približno 10,5 * 1020 kJ. Večina te energije se odbije od oblakov, prahu in zemeljskega površja (približno 34 %), segreje ozračje, litosfero in oceane, nato pa se razprši v vesolju v obliki infrardečega sevanja (42 %), porabljenega za izhlapevanje vode in nastanek oblakov (23%), na gibanje zračnih mas - nastanek vetra (približno 1%). In le 0,023% sončne energije, ki pade na Zemljo, ujamejo proizvajalci - višje rastline, alge in fototrofne bakterije - in shranijo v procesu fotosinteze v obliki energije iz kemičnih vezi organskih spojin. Med letom kot posledica fotosinteze nastane približno 100 milijard ton organskih snovi, ki shranijo najmanj 1,8 * 1017 kJ energije.

To vezano energijo dalje uporabljajo konzumenti in razgrajevalci v prehranjevalnih verigah, zaradi nje pa živa snov opravlja delo – koncentrira, preoblikuje, kopiči in prerazporeja kemične elemente v zemeljski skorji, drobi in združuje neživo snov. Delo žive snovi spremlja disipacija v obliki toplote skoraj vse sončne energije, shranjene med fotosintezo. Le delček odstotka te »fotosintetske« energije ne vstopi v prehranjevalno verigo in se ohrani v sedimentnih kamninah v obliki organske snovi šote, premoga, nafte in zemeljskega plina.

Torej se v procesu dela, ki ga izvaja biosfera, zajeta sončna energija transformira, to pomeni, da gre za izpolnitev t.i. koristno delo, in se razblini. Ta dva procesa se podrejata dvema temeljnima naravnima zakonoma – prvemu in drugemu zakonu termodinamike. Prvi zakon termodinamike se pogosto imenuje zakon o ohranitvi energije. To pomeni, da energije ni mogoče niti ustvariti niti uničiti, lahko jo le pretvorimo iz ene oblike v drugo. Količina energije se ne spremeni.

V ekoloških sistemih se dogajajo številne energetske transformacije: sončna sevalna energija se zaradi fotosinteze pretvori v energijo kemičnih vezi organske snovi proizvajalcev, energija, ki jo proizvajalci shranijo, v energijo, akumulirano v organski snovi proizvajalcev. porabniki različnih nivojev itd. Tudi sodobna človeška družba pretvarja ogromne količine ene energije v drugo. Drugi zakon termodinamike določa smer kvalitativnih sprememb energije v procesu njenega preoblikovanja iz ene oblike v drugo. Zakon opisuje razmerje med koristnim in nekoristnim delom pri prehodu energije iz ene oblike v drugo in daje predstavo o kakovosti same energije.

Verjamem, da drugi zakon termodinamike kraljuje med zakoni narave. In če je vaša hipoteza v nasprotju s tem zakonom, vam ne morem pomagati. (A. Eddington, angleški astronom.

Spomnimo se, da se energija nanaša na sposobnost sistema, da opravi delo. Toda s kakršno koli transformacijo energije se le del porabi za opravljanje koristnega dela. Preostanek se nepovratno razprši v obliki toplote, tj. prazno delo se izvaja povezano s povečanjem hitrosti naključnega gibanja delcev. Večji kot je delež energije, porabljen za opravljanje koristnega dela in s tem manjši odstotek razpršene toplote, večja je kakovost prvotne energije. Kakovostno energijo je mogoče brez dodatnih stroškov za energijo pretvoriti v več drugih vrst energije kot nizkokakovostno energijo.

Energija nizke kakovosti je energija naključnega Brownovega gibanja, torej termična. ni ga mogoče uporabiti za opravljanje koristnega dela. Količina energije nizke kakovosti, ki je neprimerna za opravljanje koristnega dela, se imenuje entropija. Preprosto povedano, entropija je merilo neorganiziranosti, neurejenosti in naključnosti sistemov in procesov.

Torej, v skladu z drugim zakonom termodinamike, vsako delo spremlja pretvorba visokokakovostne energije v energijo vse nižje kakovosti - toploto - in vodi do povečanja entropije.

Nemogoče je zmanjšati entropijo v termodinamično zaprtem sistemu, ki ne prejema energije od zunaj - navsezadnje se vsa kakovostna energija takega sistema na koncu spremeni v nizko kakovostno energijo in se razgradi v toploto. Vendar pa je v odprtem termodinamičnem sistemu mogoče preprečiti povečanje entropije z uporabo visokokakovostne energije, ki prihaja od zunaj, in odstranjevanjem nizkokakovostne energije izven sistema.

Vesolje je zaprt sistem in v njem entropija nenehno raste. Toda biosfera je odprt sistem, ki ohranja lastno nizko raven entropije, pri čemer uporablja zunanji vir visokokakovostne sevalne energije - Sonce - in razpršuje toplotno energijo nizke kakovosti v vesolje. Zato poleg fizične entropije (entropije zaprtega sistema) v ekologiji uporabljajo pojem "ekološka entropija" - količina toplotne energije, nepovratno razpršene v prostoru, ki pa se kompenzira s transformirano energijo zunanjega vir - Sonce.

Obstajata 2 pristopa k ocenjevanju evolucijske poti biosfere. 1) trdi, da ni evolucije biosfere. 2) razvoj biosfere se identificira z razvojem ene komponente - organskega sveta.

Novi podatki kažejo, da je med razvojem organskih oblik prišlo do določenih sprememb v biosferi (na primer razširilo se je območje razširjenosti življenja, biotski cikel je postal bolj zapleten, spremenile so se biogeokemične funkcije). Hkrati pa te spremembe niso samodejno sledile spremembam v organskem svetu.

Edinstvenost evolucije biosfere je v tem, da poteka znotraj že uveljavljene ravni organiziranosti živih bitij. Za spremembe je težko uporabiti merila progresivnega/regresivnega razvoja.

Razvoj biosfere je tako sprememba njenih splošnih parametrov (celotna biomasa, energetske funkcije) kot tudi razvoj organizmov/ekosistemov.

Vir razvoja biosfere je razmerje med živo in kostno snovjo v površinski lupini Zemlje. Rešitev tega protislovja v presnovnih procesih med organizmi in OS zagotavlja razvoj biosfere kot celovitega materialnega sistema. Organski svet kot celota in ne posamezne skupine živali/rastlin določa osnovne parametre biosfere.

Glavni trendi v razvoju biosfere

Rast biomase in njena organizacija. Opažen je stalen porast biomase žive snovi. Z razvojem biosfere je obstajala težnja po povečanju njene organiziranosti. Kazalo se je predvsem v povečanju sposobnosti biosfere za samoregulacijo in povečanju stopnje neodvisnosti od drugih lupin. V procesu korenitega prestrukturiranja biosfere so se ohranile predvsem tiste skupine skupnosti, ki so bile odporne na vplive astronomskih/geoloških dejavnikov.

Vloga žive snovi pri nastanku in stabilizaciji površinskih lupin Zemlje. Odločilna vloga žive snovi v razvoju biosfere in zemeljskih lupin se je še posebej jasno pokazala v: 1) nastanku plinske sestave ozračja 2) pretvorbi redukcijskega okolja v oksidativno 3) preoblikovanju kemijska in mineralna zgradba biosfere 4) ugotavljanje kemijske aktivnosti naravnih voda. 5) spremembe v splošnem termodinamičnem ravnovesju biosfere.

»Živa snov zajema in preureja vse kemične procese biosfere; njena dejanska energija je v primerjavi z energijo kostne snovi ogromna. Živa snov je najmočnejša geološka sila, ki raste s časom.«

Akumulacija energije v biosferi.»s kozmičnega vidika je življenje nenehno zadrževanje in kopičenje kemične in sevalne energije, ki upočasnjuje pretvorbo koristne energije v toploto in preprečuje razpršitev slednje v kozmičnem prostoru.«

Energija, ki jo najdemo v biosferi, je rezultat njenega razvoja. Glavna načina za povečanje energije sta 1) fotosinteza in sproščanje kisika. 2) zajem novih območij Zemlje z rastlinami, ki jih spreminjajo v območja kopičenja sončne energije. 3) kopičenje sončne energije v fosilnih gorivih in biogenih mineralih

Pojav nove oblike migracije kemičnih elementov. Ko so se razvile skupine živali s kompleksnim vedenjem, se je razvila biogena migracija atomov. Nova oblika biogene migracije ni povezana s prehodom kemičnih elementov skozi telo organizma.

Prilagajanje biosfere. Najpomembnejši so: 1) pojav ozonskega zaslona. 2) sposobnost rastlin, da zajemajo sončno energijo in jo pretvarjajo v kemično energijo. 3) heterogenost trofičnih ravni, raznolikost vrst, ki sodelujejo v prehranjevalnih verigah. 4) sezonski ritmi prispevajo k razvoju prilagoditev širokega pomena, ki omogočajo organizmom preživetje v pogojih nihanj okoljskih dejavnikov. 5) na populacijski in organizmski ravni organiziranosti živih bitij se vpliv dejavnikov kaže v spremembah v dinamiki velikosti in razmnoževanja populacije. 6) obstajajo genetsko določeni mehanizmi, ki zagotavljajo sposobnost preživetja organizma, delovanje fizioloških in biokemičnih procesov v določenem obsegu geokemičnih pogojev. 7) znotraj populacije obstaja heterogenost v občutljivosti telesa na določena stanja, kar je še posebej izrazito pri izpostavljenosti telesa snovem v ekstremnih odmerkih, ko se v telesu pojavljajo različne bolezni in nepravilnosti. 8) bolj kot je nihanje geokemičnih dejavnikov, večja je stopnja evolucijskih preobrazb. 9) elementi ne delujejo ločeno, razmerje med njimi je zelo pomembno. Ko se spremeni koncentracija katerega koli elementa v telesu, ne pride le do okrepitve/oslabitve posameznih procesov, ampak tudi do motenj delovanja vseh presnovnih procesov. Upoštevati je treba, da posamezni organizmi niso samo prilagojeni na zunanje okolje, ampak okolje prilagajajo tudi svojim biološkim potrebam.

Ohranjanje vitalne aktivnosti organizmov in kroženje snovi v ekosistemih je možno le zaradi stalnega pretoka energije. Več kot 99 % energije, ki pride na zemeljsko površje, izvira iz sončnega sevanja. Ta energija se v ogromnih količinah porabi za fizikalne in kemične procese v ozračju, hidrosferi in litosferi: mešanje zračnih tokov in vodnih mas, izhlapevanje, prerazporeditev snovi, raztapljanje mineralov, absorpcijo in sproščanje plinov.[...]

Samo 1/2.000.000 sončne energije doseže površje Zemlje, rastline pa jo asimilirajo 1-2 %. Na Zemlji obstaja en sam proces, v katerem se energija sončnega sevanja ne samo porablja in prerazporeja, ampak tudi veže in skladišči zelo dolgo. Ta proces je ustvarjanje organske snovi s fotosintezo. S kurjenjem premoga v pečeh sprostimo in uporabimo sončno energijo, ki so jo shranile rastline pred več sto milijoni let.[...]

Glavna planetarna funkcija rastlin (avtotrofov) je vezanje in shranjevanje sončne energije, ki se nato porabi za vzdrževanje biokemičnih procesov v biosferi.[...]

Prvi trofični nivo so proizvajalci, ustvarjalci rastlinske biomase; rastlinojede živali (konzumenti 1. reda) spadajo v drugo trofično raven; mesojede živali, ki živijo na račun rastlinojedih oblik, so potrošniki 2. reda; mesojedci, ki jedo druge mesojedce – porabniki 3. reda itd. [...]

Energetska bilanca porabnikov je naslednja. Absorbirana hrana se običajno ne absorbira popolnoma. Odstotek prebavljivosti je odvisen od sestave hrane in prisotnosti prebavnih encimov v telesu. Pri živalih se med presnovo asimilira od 12 do 75% hrane. Neprebavljeni del hrane se vrne v zunanje okolje (v obliki iztrebkov) in se lahko vključi v druge prehranjevalne verige. Večji del energije, pridobljene kot posledica razgradnje hranilnih snovi, se porabi za fiziološke procese v telesu, manjši del se pretvori v tkiva samega telesa, tj. porabijo za rast, povečanje telesne teže in shranjevanje rezervnih hranil.[...]

Prenos energije pri kemijskih reakcijah v telesu poteka po drugem zakonu termodinamike z izgubo njenega dela v obliki toplote. Te izgube so še posebej velike pri delu živalskih mišičnih celic, koeficient koristno dejanje kar je zelo nizko.[...]

Tudi poraba za dihanje je mnogokrat večja od porabe energije pri povečanju telesne teže. Specifična razmerja so odvisna od stopnje razvoja in fiziološkega stanja posameznika. Mladi posamezniki porabijo več za rast, medtem ko zreli posamezniki porabijo energijo skoraj izključno za vzdrževanje metabolizma in fizioloških procesov.[...]

Tako se večina energije izgubi pri prehodu iz enega člena v drugi prehranski verigi, saj Samo energijo, ki jo vsebuje biomasa prejšnje povezave, lahko uporabi druga, naslednja povezava. Ocenjujejo, da so te izgube približno 90 %, tj. le 10 % porabljene energije se akumulira v biomasi.[...]

Skladno s tem hitro zmanjkuje zaloge energije, ki je nakopičena v rastlinski biomasi v prehranjevalnih verigah. Izgubljeno energijo lahko nadoknadimo le z energijo Sonca. V zvezi s tem v biosferi ne more biti cikla energije, podobnega ciklu snovi. Biosfera deluje samo zaradi enosmernega toka energije, njenega stalnega dovajanja od zunaj v obliki sončnega sevanja.[...]

Trofične verige, ki se začnejo s fotosintetskimi organizmi, imenujemo potrošne verige, verige, ki se začnejo z mrtvimi rastlinskimi ostanki, trupli in živalskimi iztrebki, pa verige detritalne razgradnje.