Термодинамика экосистем: закон энтропии

Экология изучает связь между светом и экологическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Энергию определяют как способность произво­дить работу. Свойства энергии описываются следующими законами.

Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.

Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроиз­вольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (на­пример, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100 %. Мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования -энтропия (от греч. entropia - поворот, превращение). Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.

Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и био­сферы в целом - способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. И. Пригожин (1962) показал, что способность к самоорганизации и созданию новых структур встречается в системах, далеких от равновесия и обладающих хорошо развитыми «диссипативными струк­турами», откачивающими неупорядоченность.

Экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термо­динамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в со­гласии с законами термодинамики.

Термин «энтропия» используется и в более широком смысле - для обозначения деградации различных материалов. Так, недавно выплавленная сталь - это низкоэнтро­пийное состояние железа, а ржавеющий кузов автомобиля - высокоэнтропийное. Соот­ветственно для «высокоэнтропийного» человеческого общества характерна деградация энергии, ржавеющая техника, лопающиеся водопроводные трубы и разрушаемая эрози­ей почва. Постоянные восстановительные работы - неизбежная плата за цивилизацию с высоким расходом энергии.

5. Экологические законы, связанные с энергетическими потоками биосферыПРИНЦИП ЛЕ ШАТАЛЬЕ-БРАУНА - при внешнем воздействии, выводящем

систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направле­нии, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Следствием из принципа Ле Шаталъе - Брауна) является ЗАКОН ТОРМОЖЕ­НИЯ РАЗВИТИЯ - в период наибольших потенциальных темпов развития системы возникают максимальные тормозящие эффекты.

Принцип Ле Шаталье-Брауна применим в рамках классической физики для опи­сания процессов в закрытых системах (не получающих энергии извне); так как экоси­стемы — принципиально открытые системы (обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой), то для их описания более корректными выглядят представления теории нелинейных необратимых процессов. Для закрытых систем об­щим принципом является второе начало термодинамики, для открытых - ПРИНЦИП НЕРАВНОВЕСНОЙ ДИНАМИКИ ПРИГОЖИНА-ОНСАГЕРА - Неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса». Если закрытые системы имеют одно состоя­ние равновесия, то открытые - несколько. Перейдя границу устойчивости система по­падает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В этой точке даже небольшая флуктуация может вывести систему на иной путь эволюции и резко изме­нить ее структуру и поведение.

ПОСТУЛАТ МАКСИМУМА БИОГЕННОЙ ЭНЕРГИИ Вернадского-Бауэра - лю­бая экосистема, находясь в состоянии "устойчивого неравновесия" (т.е. динамического подвижного равновесия с окружающей средой) и эволюционно развиваясь, уве­личивает свое воздействие на среду.

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЧИСЕЛ Элтона (1927) - число индивидуумов в последова­тельности трофических уровней убывает и формирует пирамиду чисел.

ЗАКОНПИРАМИДЫ БИОМАСС (Одум, 1975). Пирамиды биомасс представляют более фундаментальный интерес, так как они дают "...картину общего влияния отноше­ний в пищевой цепи на экологическую группу как целое".

ЗАКОН ПИРАМИДЫ ПРОДУКТИВНОСТИ - более стабильная "пирамида", чем пирамида чисел или пирамида биомасс, которая в значительно большей степени отра­жает последовательность трофических уровней.

ПРАВИЛО ДЕСЯТИ ПРОЦЕНТОВ (пирамида энергий Станчинского) - средне-максимальный переход 10 % энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, как правило, не ведет к неблагоприятным для экосистемы в целом и теряющего энергию трофического уров­ня последствиям.

АКСИОМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ АККУМУЛЯЦИИ ЭНЕРГИИ - часть прохо­дящей через экосистему энергии накапливается и временно "выключается" из общего энергетического потока.

ПРАВИЛО ОДНОГО ПРОЦЕНТА В.Г. Горшкова (1985) - изменение энергетики природной системы на 1%, как правило, выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния.

ПРИНЦИП МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ Лотки-Одума-Пинкертона - в «сопер­ничестве» с другими экологическими объектами выживают (сохраняются) те из них, которые наилучшим образом способствуют поступлению энергии и используют мак­симальное ее количество наиболее эффективным способом. 6. Элементы биоэнергетики экосистем

Особая роль растительности в общей структуре живой природы связана с основ­ной функцией растительного покрова нашей планеты - аккумуляцией и превращением солнечной энергии в энергию химических связей органического вещества с последую­щей передачей ее тем компонентам экосистемы, которые не в состоянии самостоятельно фиксировать энергию Солнца.

Установлено, что к верхним слоям атмосферы Земли от Солнца приходят 1,94 кал/см² в минуту, из которых биосферы достигает только около 0,9 кал/см²/мин, а по­верхности Земли - менее 0,3 кал/скг/мин. В средних широтах каждый гектар поверхно­сти планеты получает 9-10 кал/год. Однако верхний предел фиксации солнечной энер­гии растительность составляет всего 5 % от посылаемой Солнцем энергии.

Энергия в экосистеме на примере смешанного леса представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Энергия в экосистеме на примере смешанного леса

Всякий источник энергии, уменьшающий затраты на само­поддержание экосистемы и уве­личивающий ту долю энергии, которая может перейти в про­дукцию, называется вспомога­тельным потоком энергии, или энергетической субсидией.

Фактор, который при од­них условиях среды или при одном уровне поступлений уве­личивает продуктивность, при других условиях среды или дру­гом уровне поступлений может способствовать утечкам энер­гии, уменьшая продуктивность (рисунок 9).

Обобщенная кривая, по­казывающая, как увеличенное поступление энергии или веще-

Рис. 9. Кривые субсидии и стресса ^{ства может} вывести систему из

диапазона обычного функцио­нирования (N). Если система может использовать этот излишек, то ее основные функции, например продуктивность, при умеренных уровнях повышения притока могут усилиться (эффект субсидии— Sub), но при дальнейшем увеличении притока эти функции на­чинают подавляться (эффект стресса — St). Если поступают ядовитые вещества, функ­ции подавляются и высока вероятность того, что сообщество заменится другим, более толерантным, или экосистема вообще погибнет. R — замещение, L — гибель.