Энергетика и Термодинамика экосистем

• 1. Почему изучают энергетику

• Образовавшееся в биосфере органическое вещество может многократно воспроизводиться при переходе от одного трофического уровня к следующему. Поэтому количественный анализ продукционного процесса, основанный на учете образования и разрушения органической материи, сопряжен с неизбежной ошибкой вследствие суммирования одного и того же вещества. С другой стороны, энергия, заключенная в первичной органической материи, в ходе дальнейших превращений только расходуется, что дает возможность объективно оценить интенсивность и направленность продукционного процесса. Поэтому анализ энергетических превращений в трофических цик­лах занял в современной экологии господствующее положение, опреде­лив дальнейшие пути развития проблемы биологической продуктивности.

• 2. Второе начало термодинамики и эволюция представлений об энтропии

• 2.1. Первый закон, закон сохранения вещества и энергии, утверждает, что вещество и энергия не исчезают и не создаются вновь. Они могут преобразовываться, а энергия может переходить из одной формы в другую, но общая сумма эквивалентных количеств вещества и энергии должна оставаться постоянной.

• 2.2. Второй закон термодинамики утверждает, что все виды энергии, будь то световая, потенциальная, химическая, кинетическая или любая другая энергия, спонтанно стремятся перейти в менее организованную и более беспорядочную форму. Этот закон иногда называют законом «возрастания энтропии». Теоретически из этого закона следует, что в отдаленном будущем наша Солнечная система, а может быть, и вся Вселенная превратятся в совершенно беспо­рядочный набор молекул и в тепло.

• 3. Энтропия. Понятие энтропии используется в химии, биологии, информатике и т.д. Трактуется как мера неопределенности ситуации.

• 3.1. понятие, впервые введённое Клазиусом в термодинамике в 1865 году. Первоначально мера превышения тепла объекта над абсолютным нулем Кельвина, поскольку любой объект рассеивает теплоту в Космос.

• 3.2. Мера необратимого рассеивания энергии при переходе из одного состояния в другое, меры отклонения реального процесса от идеального.

• 3.3. В термодинамике величиной энтропии измеряется степень рассеяния, т.е. перехода в тепловую энергию, любого другого вида энергии, содержащейся в системе.

• 3.4. Обиходное понятие, пришедшее из физики и распространившееся на все сферы жизнедеятельности. Означает усреднение, распыление, оскудение, хаотичность, беспорядочность.

• Жизнь иногда называют «отрицательной энтропией» потому, что организмы способны поддерживать сложную структуру, несмотря на влияние своего окружения. Но так же как и любые другие системы, состоящие из вещества и энергии, они подчиняются второму закону и вынуждены постоянно работать, создавая и поддерживая упорядоченные ансамбли вещества и энергии. Этот процесс требует энергии, и организмы получают ее от гаснущего Солнца (которое тоже подчиняется второму закону термодинамики и стремится к неупорядоченному состоянию), чтобы противостоять второму закону в своих собственных тканях, создавая порядок из беспорядка. Где бы мы ни находили живые растения или животных, мы всегда найдем здесь же источник энергии. Ни один орга­низм не может долго просуществовать без непрерывного притока энергии. Опять-таки «отрицательная энтропия» имеется только внутри организмов, а совокупность энергетических взаимоотношений в Солнечной системе подчиняется второму закону термодинамики, т. е. вся система непрерывно теряет упорядоченность.

• 3. Принципы термодинамики в экосистеме

• Бельгийский физик Илья Пригожин и немецкий физик Хакен разработали принципы — синергетики. Основным объектом изучения термодинамики стали открытые системы, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой и находящиеся далеко от состояния равновесия. И.Р.Пригожиным был введен термин «диссипативная структура». Структура (упорядоченное образование или выделенная особенность) существует, необратимо диссипируя (рассеивая) энергию, т.е. обладает внутренним («встроенным») хаотизатором. Ее возникновение также неразрывно связано с диссипированием, необратимым рассеиванием энергии, приводящим к росту энтропии.

• Одновременно с диссипированием в структуре происходят, однако, процессы самоорганизации, упорядочивания связей, отношений ее элементов, приводящие к понижению энтропии. Баланс этих процессов может иметь результатом как снижение общей энтропии системы, так и ее повышение. И в том, и в другом случае система может усложняться и будет реализован этап развития. Если же число элементов сис­темы фиксировано, и рост энтропии за счет диссипации энергии не компенсируется ее убыванием за счет упорядочения связей между элементами, то система упрощается и деградирует.

• Пригожиным была доказана теорема о том, что темпы увеличения энтропии за счет диссипативных процессов являются минимальными из возможных (так называемый принцип минимума производства энтропии).

• Смысл сказанного, применительно к экосистеме, можно, выразить таким образом:

• 1) чтобы существовать, любая экосистема «обязана» диссипировать энергию, то есть обладать внутренне присущей ей тенденцией к хаотизации (в этом и состоит универсальность второго закона термодинамики);

• 2) чтобы существовать, любая экосистема (как открытая система) «должна» с помощью каких-то способов, механизмов компенсировать (нейтрализовать) тенденцию к хаотизации (в этом смысл самоорганизации, структурирования);

• 3) старение, деградация экосистемы есть результат постепенно формирующегося преобладания тенденции к хаотизации над способностью к самоорганизации.

 

4. Биосфера
Совокупность всех экосистем Земли образует биосферу, а совокупность абиотических компонентов называется экосферой.

Понятие биосфера вошло в науку до некоторой степени случайно. Около ста лет назад, в 1875 году, австрийский геолог Эдуард Зюсс, говоря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней главе своей небольшой книги о происхождении Альп.