ПОТОКИ ЭНЕРГИИ В БИОСФЕРЕ

3.1.Термодинамика процессов живой природы. Негэнтропия.

 

Одним из основных свойств материи является энергия − способность производить работу. Существование живых организмов невозможно без хорошо организованных энергетических потоков между ними и окружающей средой. При изучении различных экосистем очень важен энергетический подход. Состояние любой природной и общественной системы, в конечном счете, определяется соотношением энергии, используемой на этой территории и поступающей извне. Устойчивая система формируется только в том случае, если темпы расхода не превышают возможностей среды.

Все природные системы должны подчиняться двум законам термодинамики − науки о превращениях энергии. Первый закон термодинамики является следствием закона сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Экология изучает превращение солнечной энергии в экосистемах.

В соответствии с первым законом термодинамики, энергия, поступившая в экосистему (Q), разделяется на два потока:

1. используемую часть − энергию, перешедшую в энергию органического вещества живых организмов (q_{использ.}) ;

2. рассеянную энергию (q_{рассеянн.}), в основном в виде тепла.

Q = q_{использ.} + q_{рассеянн.}

Превращение Солнечной энергии в биосфере показано на рис.8.

 

 

Рис.8. Распределение солнечной энергии в биосфере

 

Согласно второму закону термодинамики, любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло − форму энергии, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеиваемую. Тепловая энергия равномерно распределяется по всему пространству, что ведет к состоянию устойчивого равновесия.

Из второго закона термодинамики следует, что самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся рассеянием энергии и увеличением беспорядка в системе. Увеличение беспорядка представляет собой деградацию энергии − переход к более низкому уровню организации. Мерой беспорядка служит энтропия (S) − мера количества энергии, недоступной для использования.

Важнейшей особенностью живых организмов является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. Отличие живых систем от неживой природы состоит в том, что они способны самостоятельно восстанавливать свою структуру и увеличивать упорядоченность внутри себя, синтезируя сложные органические вещества из простых. Здесь нет противоречия законам термодинамики, так как все процессы в живой природе происходят не самопроизвольно, а лишь при условии постоянного подвода энергии. Сама возможность существования жизни обусловлена их способностью накапливать энергию путем преобразования полученной энергии Солнца в энергию химических связей.

Природные экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, уменьшая при этом энтропию внутри себя, но увеличивая ее в окружающей среде. Упорядоченность экосистем поддерживается за счет откачивания из нее неупорядоченности в процессе дыхания. Такие системы, находящиеся в состоянии устойчивого неравновесия с окружающей средой, называются диссипативными структурами.

Живые организмы способны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию − негэнтропию. Растения получают ее при потреблении солнечной энергии, животные − из пищи. При прекращении потока энергии (например, после гибели организма), происходит разрушение сложных органических соединений, энергия химических связей переходит в тепловую форму и рассеивается.