Энергетические принципы существования жизни на земле

Существование экосистем зависит от количества энергии, скорости ее передачи через элементы системы и от интенсивности циркуляции минеральных веществ.

Энергия - единая мера различных форм движения материи.

Количественные характеристики различных форм движения материи определяются следующими видами энергии: механическая (кинетическая), внутренняя, электромагнитная, ядерная, химическая и т.д. Живое вещество является уникальным природным образованием способным усваивать низкопотенциальную энергию солнечного света, преобразовывать ее в потенциальную энергию сложного органического соединения, передавать друг другу и трансформировать в механическую, электрическую и другие виды энергии. 1-й закон термодинамики (аналог закона сохранения энергии): энергия не исчезает и не создается, она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому, при этом ее значение сохраняется.

+А _пот,

где Q – тепло, А – работа, - изменение внутренней энергии, А _пот – потери (диссипация) тепла.

 

При этом происходят её потери в виде рассеянного в пространстве тепла, т.к. вся работа может быть преобразована в тепло, но не все тепло может быть преобразовано в работу – 2-ой закон термодинамики.

Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Другая формулировка 2-го начала термодинамики заключается в введении понятия энтропии.

Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как, по-определению, dS=dQ/T (температура в знаменателе!). То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса. Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась.

 

Энтропия - мера необратимости рассеяния энергии или степень хаоса. Энтропия S связана с числом равновероятностных микроскопических состояний системы, которыми можно реализовать конкретные макроскопические состояния системы (давление, температура, объем). Для газов Больцман получил формулу энтропии

S=k ln W

k -константа Больцмана k =1,38∙10^-8Дж/°К. W -число микростояний, которое реализуют данное макросостояние. Наименьшую энтропию имеют правильные кристаллы при абсолютном нуле. С повышением температуры энтропия (степень хаоса) растет, т.к. возрастает интенсивность движения частиц и число способов их расположения. Пример. Рассмотрим число сочетаний состояний 8 атомов углерода в алмазе и графите. В алмазе- это тетраэдр, в графите- это слои, отстоящие друг от друга на большом расстоянии. Расчет показывает, что число сочетаний расположение каждого атома в верней вершине кристалла алмаза W=4, а в графите число сочетаний расположения 4-х атомов в верхнем слое равно 70.

Второй з-н термодинамики - Энтропия замкнутой системы остается постоянной при обратимых процессах и возрастает при необратимых процессах.

.

Любой самопроизвольный процесс является необратимым. В замкнутой системе энергия стремится к состоянию называемым термодинамическим равновесием, что равнозначно максимальной энтропии.

В живом веществе в локальных областях 2-й з-н терм-ки нарушается: под воздействием солнечной энергии процессы в системе могут происходить с уменьшением энтропии системы (формирование из простых неорганических веществ сложных органических живых соединений) – это одно из основных отличий живого вещества от неживого.

Пока происходит этот процесс – мы живем. Живое вещество организованно, характеризуется низкой энтропией и оно стремится поддержать это состояние за счет притока внешней энергии. После утраты организмом контроля начинаются необратимые процессы разложения – снижения организованности материи, повышении энтропии.

Энтропия – это системное понятие, характерное для закрытых и открытых систем. Биосфера планеты Земля - закрытая система, достаточно изолированная от Космоса (иначе мы бы не смогли существовать).

Как показано выше, 2-ой закон термодинамики не применим к живым системам и малым микроскопическим состояниям: Броуновское движение. Человечеству предстоит определить степень энтропии биосферы, чтобы дать ответ – обратимы или необратимы процессы, происходящие на планете в настоящее время. Либо прийти к выводу о том, что Биосфера планеты Земля живая система и к ней не применимы данные законы…..

Этапы эволюции биосферы

I-й этап - возникновение и развитие в гидросфере простейший водных монобионтов (гидробионтов). Это одноклеточные прокариоты (без ядра), которые в ходе эволюции дифференцировались по разным линиям приспособления на одноклеточных и многоклеточных, растения и животных, особей мужского и женского пола.

II-й этап - появление у гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов (постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй среды жизни-организма. Некоторые сожители вошли в столь тесные взаимоотношения с «хозяином», что стали своеобразными «органами» его тела. Например, человек получает витамины В1 от кишечной палочки. В ряде случаев, если нет симбионтов, не развивается иммунитет.

III-й этап - выход организмов из водной среды на сушу, где под их влиянием сформировались новые среды жизни: вода, почва, воздух, организм.

IV-й этап - живорождение у животных: новый тип дибионтных организмов: до рождения развивающиеся в организме матери, а после рождения ведущие свободный образ жизни.

V-й этап - появление человека - социальный, когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным существом.

VI-й этап эволюции связан с ее переходом под влиянием разумной деятельности деловека в состояние НООСФЕРЫ (сферы разума).

Развитие жизни (биогенез) пойдет по пути развития разума (ноогенеза).