7.2. Енергетичний баланс системи

Одним з основних законів природи, у рамках якого відбуваєть­ся розвиток будь-якої відкритої стаціонарної системи, є закон збереження енергії. Він може бути сформульований у такий спосіб: жодна матеріальна система не може розвиватися чи фу­нкціонувати, не споживаючи вільної енергії (Е ), що витрача­ється на зміну внутрішньої енергії системи (AU), на розсіюван­ня (дисипування) енергії в навколишнє середовище (Е_д) і на здій­снення роботи (W):

Е_с = AU + E_a + W. (7.1)

Робота, яку виконує система, реалізується за такими напря­мками:

• здійснення функції метаболізму (переміщення потоків інфор­мації), кінцевою метою якого і є вилучення із зовнішнього середовища вільної енергії;

• підтримання рівня гомеостазу (здійснення механізмів нега­тивного зворотного зв'язку), без чого неможлива реалізація функції метаболізму;

• трансформація рівня гомеостазу (здійснення механізмів по­зитивного зворотного зв'язку).

Для виконання роботи із зазначених напрямків система зму­шена витрачати енергію. Це веде до того, що в балансі системи з'являється, відповідно, три енергетичні компоненти: життєза-безпечувальна (Е), компенсаційна (Е ) і трансформаційна (Е ).

170

Таким чином, в остаточному вигляді формулу енергетично­го балансу відкритої стаціонарної системи можна виразити та­ким чином:

£ = М/ + £, + £+£+£, (7.2)

с о ж к m' ^v '

де AU - зміна внутрішньої енергії системи.

Чи може система витрачати енергії більше чи менше тієї кількості, яку вона одержує внаслідок процесів метаболізму з зовнішнім середовищем? Ці дві ситуації можуть бути виражені нерівностями:

1)Е <Е,+ Е + Е +£ ; (7.3)

' с д ж к m^{J v} '

2)Е > Е_й+Е + Е + Е . (7.4)

' с о ж к т ^v '

Подібні ситуації можливі і часто відбуваються в житті на будь-яких рівнях її прояву. Демпфіруючим моментом в обох випадках є зміна внутрішньої енергії системи.

Подробиці___________________________________________________

Якщо енергії надходить не достатньо, щоб обслуговувати звичний «спосіб життя» (тобто підтримувати звичний рівень гомеостазу), система змушена витрачати лриласену раніше енергію. Звичайно запас енергії складається з двох частин. Одна становить резервні запаси. У тварин вони зберігаються у висококалорійних речовинах, (наприклад, жирі); родина чи підприємство збе­рігають їх у банку (причому пострадянська родина частіше «у банці»). Іншою частиною джерел запасів може бути енергія внутрішніх зв'язків окремих елементів структури, що формують систему. Саме вона йде в хід для задо­волення енергетичних потреб систем після того, як виснажуються інші дже­рела. Фактично це знаменує початок процесу саморуйнування системи. Тва­рина починає худнути і втрачати свої функції; родина - продавати ще недав­но такі потрібні предмети побуту; фірми змушені «звільнятися» від частини устаткування. Зрештою, система постає перед вибором: чи загинути (припи­нити функціонування), чи перебудувати рівень свого гомеостазу так, щоб потреби системи знову стали відповідати можливостям, тобто витрата енергії почала дорівнювати надходженню вільної енергії в систему.

При позитивному балансі (надходження енергії більше її витрачання) про­цеси йдуть у зворотному порядку. Система одержує можливість реконст­руювати свою структуру і поповнити резервні запаси. Відповідно виникають передумови і для прогресивної зміни рівня гомеостазу.

Для перебудови системи (трансформації гомеостазу) вклю­чається механізм позитивного зворотного зв'язку. Його реаліза­ція здійснюється за рахунок трансформаційної складової Е .

171

Зміна кількості внутрішньої енергії в системі (АС7) є своєрід­ним індикатором енергетичного стану системи і характеризує передумови зміни рівня її гомеостазу. При цьому можна виді­лити три принципові ситуації:

1. ДС/ = 0: система функціонує в стабільному режимі, при яко­му надходження вільної енергії в систему цілком витрача­ється на підтримання порядку в системі (зниження ентропії).

2. АС/ > 0 (зміна внутрішньої енергії має позитивне значення): у системі починає накопичуватися надлишок вільної енергії; він може бути реалізований лише при трансформації рівня гомеостазу в напрямку його підвищення (прогресивна транс­формація системи).

3. АС/ < 0 (від'ємне значення): система починає використовувати внутрішні резерви (тобто функціонувати за рахунок саморуй­нування); виправити подібну ситуацію система може, лише зни­зивши рівень гомеостазу; при цьому знизяться й енергетичні потреби системи (регресивна трансформація систзми).

Примітка

Слід підкреслити, що додаткових витрат енергії потребує не тільки прогреси­вна перебудова системи (зростання організму, розвиток фірми, країни), але й регресивна трансформація (старіння організму, зменшення потужності фірми, ослаблення держави). Оскільки загальна кількість вільної енергії, яка надходить у систему, знижується, необхідна для адекватної трансформації системи енергія (Е) може бути мобілізована тільки за рахунок реструктури­зації видаткових складових енергобалансу системи. Звичайно більше всього «дістається» компенсаційній складовій (£ ). Як наслідок цього, у подібні пе­реломні періоди стійкість системи значно знижується. Біологічні організми більше, ніж звичайно, хворіють (у цьому відношенні характерним є клімак-совий період), фірму «лихоманить», у країні слабшає діяльність силових стру­ктур, починаються заворушення. Відповідно зменшуються й Інші складові: життєзабезпечувальна (Е_ж) — через зменшення рівня гомеостазу; дисипати­вна (Е ) — через зниження природних втрат енергії, що корелюють з рівнем активності системи.

Якщо ж енергії в системі не вистачає на реалізацію механізму позитив­ного зворотного зв'язку, чи необхідний новий рівень гомеостазу виходить за критичні потенційні можливості самої системи, її може очікувати летальний результат: організм умирає, фірма руйнується, у країні відбувається рево­люція і колишня держава перестає існувати.

У тому випадку, якщо енергії трансформаційної складової вистачає на, досягнення нового рівня гомеостазу, система знову приходить у динамічну рівновагу. Припиняє дію механізм позитивного зворотного зв'язку (Е прагне

172

до 0), і повною мірою починає діяти механізм негативного зворотного зв'я­зку (Е прагне до норми). Хвороби відступають, справи на фірмі налагоджу­ються, вона знаходить нових споживачів і постачальників. Життя в державі стабілізується: хоча доходи на душу населення в країні можуть бути нижчи­ми, ніж до перебудовного рівня, виникає відчуття, що «життя налагоджуєть­ся» і народжуються надії...

Можна вважати, що зазначені умови балансу є загальними для будь-яких видів структур, які відповідають вимогам від­критих стаціонарних систем. До них належать:

• структури неживої природи з колективним видом поведінки;

• живі організми;

• екосистеми;

• колективні об'єднання тварин (рій, зграя, родина, ін.);

• економічні суб'єкти: підприємства й асоціації;

• системи, сформовані економічними суб'єктами (ринки);

• самокеровані соціально-економічні системи регіонів і країн;

• глобальна соціально-економічна система.

Відповідно, у всіх цих системах діють подібні механізми негативного і позитивного зворотного зв'язку. Проаналізуємо тепер зміст складових рівняння енергетичного балансу системи (формула 7.1).

Перша складова - обсяг виробленої вільної енергії (Е_с), відби­ває своєрідну потужність системи. Для різних видів структур приблизне уявлення про цей життєво важливий показник пев­ною мірою дають оцінки, що характеризують їх продуктивність. Для живих організмів це кількість генерованої життєвої енергії; для екосистеми - її несуча здатність {earring capacity) або зага­льна кількість енергії, що надходить до трофічного (харчового) ланцюга; для фірми - дохід, чи виторг, підприємства; для наці­ональної економіки країни - валовий внутрішній продукт (ВВП).

У правій частині рівняння 7.1 знаходяться видаткові скла­дові енергетичного балансу. Щоб з'ясувати їх зміст, спробуємо розглянути можливу динаміку складових на прикладах декіль­кох видів систем.

173

7.3. Енергетика організму і екосистеми

Для живих організмів параметри енергетичного балансу (див. формулу 7.1), а відповідно, і рівень метаболізму і гомеостазу, визначаються кількістю енергії, необхідної для підтримання основних життєзабезпечувальних функцій організму (Е_ж) і його органів.

Дисипативна складова (Е_д) - це та частина енергії, яку ор­ганізм безповоротньо розсіює (втрачає) у навколишнє середови­ще. Природно, за несприятливих умов середовища (особливо, якщо температура середовища значно нижча температури тіла) безповоротна віддача енергії посилюється. Однак ця складова пов'язана не тільки з умовами зовнішнього середовища, але корелює також з активністю організму. Чим вища активність (Е ), тим більші втрати енергії (ЕЛ.

Компенсаційна складова (Е_к) - це витрати енергії на підтри­мання гомеостазу (збільшення потовиділення, зміна забарвлен­ня, підвищення мобільності, вживання застережних заходів, ін.). Ця складова, що забезпечує механізм негативного зворотного зв'язку, залежить також від умов зовнішнього середовища (чим жорсткіші умови, тим більші витрати енергії) і від активності організму (чим вища активність, тим більше енергії доводиться витрачати на підтримання різних видів рівноваги: механічного, теплового, хімічного, ін. Не випадково деякі тварини (напри­клад, бурий ведмідь) на суворість умов зовнішнього середовища реагують вжиттям необхідних превентивних заходів. Для того щоб вижити в зимовий сезон, коли зменшується кормова база і знижуються можливості надходження вільної енергії в організм, вони впадають у стан анабіозу (зимової сплячки), попередньо максимально ізолювавши в барлогу своє тіло від зайвих втрат тепла (зниження Е_д). При цьому до мінімуму скорочуються ви­трати енергії за компенсаційною складовою (Е.), відсутні і будь-

ft

які трансформаційні перебудови (£_т= 0). Жирових запасів енергії вистачає лише на підтримання життєзабезпечувальних функ­цій (Е ) і мінімальних втрат енергії (ЕЛ, які вдається скороти-ти, але не можна уникнути цілком.

Деяким співтовариствам тварин (мурахи, терміти) вдається змоделювати деякі елементи стану анабіозу, причому перманен­тного (постійного), але на суспільному рівні. Максимально ізо­лювавши від змін зовнішнього середовища свої житла, вони під-

174

тримують у мурашниках і термітниках постійні умови життя, знизивши втрати енергії (Е_д) і звівши до мінімуму компенсацій­ну складову (Е ). Таким співтовариствам удається сотні тисяч років, якщо не мільйони, підтримувати стійкий стаціонарний стан системи, коли механізм позитивного зворотного зв'язку практично не задіюється і трансформаційна енергія (Е_т) не ви­користовується.

Кількість вільної енергії, яка надходить до організму, зале­жить від швидкості й ефективності обмінних процесів (метабо­лізму). У юному віці, коли вони високі, в організм надходить значна кількість вільної енергії, створюються передумови по­стійної мобілізації механізмів позитивного зворотного зв'язку завдяки надлишку енергії (J5_m). У результаті цей організм росте і розвивається, постійно підвищуючи «планку» гомеостазу. В міру старіння швидкість обмінних процесів знижується, і орга­нізм змушений вести перебудову у зворотному напрямку.

Багато змін в екосистемах порівнянні з процесами, що від­буваються в живих організмах. Не випадково до екосистем зна­чною мірою застосовується схожа термінологія: розвиток, ріст, клімакс, деградація, згасання. Однак динаміка екосистем має і свої характерні риси, дуже показові для з'ясування багатьох процесів, що відбуваються на рівні співтовариств, включаючи соціальну організацію людей.

Приплив вільної енергії до екосистеми (Е_с) визначається ді­яльністю продуцентів. Консументи в змозі тільки перерозподі­ляти енергію. Уявлення про рівень гомеостазу якоюсь мірою можуть давати екологічні піраміди: піраміди чисел (тобто спів­відношення кількості окремих біологічних особин у трофічно­му ланцюзі), піраміди біомаси, піраміди енергій. Сумарний об­сяг енергії, що споживається всіма біологічними видами в тро­фічному ланцюзі, складає ту частку, що може витрачатися за трьома складовими енергетичного балансу: життєзабезпечува-льна (Е ), компенсаційна (Е) і трансформаційна (Е ). Ці три складові утворюють своєрідний «бюджет» екосистеми, у межах якого вона може здійснювати свої функції і розвиватися.