Биосферный обмен веществ, информации и энергии. Энтропия.

Как мы уже говорили, функциональная закономерность живого и косного, проявляется, прежде всего, в биогеохимических круговоротах, или точнее, в биогенной миграции атомов. Основных биогенов 5, а участвует в круговороте порядка 40 элементов. Запасы доступных для организмов биогенов в окружающем мире ограничены. Так, основной биоген – углерод – потребляется в виде атмосферного и растворенного в водах Мирового океана углекислого газа. Как в атмосфере, так и в океане запасы его ограничены: в атмосфере находится около 700 млрд.т. углекислого газа в пересчете на углерод. В мировом океане примерно такая же масса. Если ежегодно продуценты производят порядка 100 млрд. т. (в пересчете на углерод) органического вещества, потребляемого консументами, то очевидно, что биогеохимический цикл должен замыкаться с высокой степенью точности. Если разница между синтезом и разложением будет хотя бы 1% или меньше, то жизнь, представленная фотосинтетиками и живущими за их счет консументами может быстро исчезнуть. Однако разница в синтезе и разложении всегда существует, составляя для кругооборота сотые доли процента. Эта величина представляет собой показатель чувствительности к изменениям круговорота. Когда он превышен, то биота реагирует на произошедшее изменение окружающей среды путем включения механизма, возвращающего его к прежнему состоянию. Таким образом, этот показатель является фундаментальной величиной, а биохимический круговорот не замыкается полностью. Первичными ячейками круговорота служат сообщества организмов с характерным размером до десятков метров, включающие продуценты и консументы. Примером может служить дерево в лесу. В такой системе действует закон больших чисел, так как продуценты здесь – листья или иголки, которые работают независимо друг от друга и даже конкурируют за свет, а консументы – это микроорганизмы и гифы грибов, а также независимые друг от друга насекомые. Флуктуация в такой системе равна единице, деленной на корень квадратный из числа независимых элементов. Тимофеев-Ресовский называл такие сообщества элементарными единицами биологического круговорота.

От дерева в лесу, от трухлявого пня к поляне, к массиву леса и далее к биосферному круговороту. Большое включает малое, и образует некую «матрешечную» вложенность. Каждый из них является механизмом регулирования близлежащей окружающей среды: при нарушении концентрации биогенов в ней происходит размыкание круговорота и вывод из окружающей среды и наоборот, эмиссия для пополнения недостатка того или иного биогена в окружающей среде, так как биота должна поддерживать их концентрацию близко к оптимальной для себя. Таким образом, утрату меньших круговоротов могут компенсировать крупные. Если теряется крупный круговорот, то общая картина приобретает другое качество.

Посредством круговоротов осуществляется перемещение веществ. Часть веществ переходит от одного биогеоценоза к другому, от одной более крупной экосистемы, к соседней. Даже кольца обмена экосистем мирового океана и суши планеты как бы сцеплены друг с другом (Н.Ф.Реймерс. «Основы экологических знаний»).

Н.Ф. Реймерс предложил модель общей картины круговорота веществ планеты, которую назвал «Кольчуга жизни» (рис.12).

 

Почему именно «кольчуга» какую информацию она дает, и какие выводы можно сделать относительно устойчивости биосферы? Связанные между собой круговороты можно было бы назвать сетью, но «ячейки» этой разомкнуты и больше похожи на цепочки - кольчугу. Кольчуга защищает тело воина. Значит, и «кольчуга жизни» защищает нашу с вами жизнь, жизнь биосферы и противостоит внешним воздействиям.

Это происходит по закону внутреннего динамического равновесия:

- вещество, энергия, информация, динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят, или в их иерархии.

У этого закона есть важные следствия:

1. Любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных  цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер.

2. Слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения в других (и во всей системе в целом).

3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Проходя по иерархии снизу вверх - от места воздействия до биосферы в целом, - они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень.

4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в её крупнейших подразделениях ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала. (Н.Ф.Реймерс, Природопользование, с. 142)

Приведенный закон является одним из узловых положений в природопользовании. Можно привести очень много примеров выполнения этого закона и его следствий, но оставим это средствам массовой информации. Для нас в этом законе есть еще один важный момент. Мы говорили, что круговороты - это цепь химических реакций, а для химических реакций и физических систем выполняется принцип Ле-Шателье - Брауна:

- при внешнем воздействии, выводящем систему (химическую реакцию) из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Не правда ли, очень похоже на первое следствие закона внутреннего динамического равновесия? Это важно в том смысле, что стирает границы между знаниями отдельных предметов: нет отдельно физики, химии, биологии - это всего лишь точки зрения с разных позиций, а жизнь - это всё сразу, это взаимосвязи, чем больше мы их откроем для себя, тем прочнее и точнее наше знание об явлениях жизни. 

Так, общепринятая в физике формулировка второго начала термодинамики гласит, что в закрытых системах энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию максимальной энтропии.

Отличительной же особенностью живых тел, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е.состояния с низкой энтропией.

Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы.

 

В отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F и энтропию через S, то полная энергия системы Е будет равна:

E = F + ST;

где Т — абсолютная температура по Кельвину.

По определению физика Э. Шредингера: «жизнь — упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время... —... средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей среды».

У высших животных нам хорошо известен тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях служит им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградированной форме, однако, не вполне деградированной, так как их еще могут усваивать растения.

Для растений мощным источником «отрицательной энтропии» — негэнтропии - является солнечный свет.

Свойство живых систем извлекать упорядоченность из окружающей среды дало основание некоторым ученым сделать вывод, что для этих систем второе начало термодинамики* не выполняется. Однако второе начало имеет еще и другую, более общую формулировку, справедливую для открытых, в том числе живых, систем. Она гласит, что эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100%. В соответствии со вторым началом термодинамики поддержание жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно.

Обратимся снова к Э. Шредингеру: «Все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию — максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т.е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию».

_________________________________________________________________

* «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому»

_____________________________________________________________________