2. Термодинамические законы в приложении к экологии

С отмеченных позиций показательно использование в экологии термодинамических законов. Возможно ли прямое приложение основных принципов термодинамики по рассмотрению различных экологических процессов?

С одной стороны, любой экологический объект, любой организм - это, прежде всего, хотя и своеобразная, но несомненно энергетическая система.

С другой стороны, собственно классическая термодинамика занимается изучением общих свойств макроскопических систем в равновесии, а также общих закономерностей при установлении равновесия. А окружающий нас мир живой и неживой природы представляет системы, не находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Они существуют в пространстве и во времени, а для равновестных состояний понятие времени, строго говоря, не существует: время в явном виде в термодинамику не входит.

В классической термодинамике выделяется 4 основных закона - 4 «начала».

«Нулевое начало»: Существует функция состояния – температура. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух подсистем одной и той же системы.

«Первое начало» - закон сохранения энергии: Каждая термодинамическая система обладает характеристической функцией состояния - энергией. Эта функция состояния возрастает на величину сообщенного системе тепла dQ и уменьшается на величину совершенной системой внешней работы dW. Для изолированной системы справедлив закон сохранения энергии:

Внутренняя энергия dU=dQ-dW.

Для изолированной системы dU=0, U=const.

«Второе начало» - энтропия и энергия. Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией (en - внутрь, trope - поворот, превращение). Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбраного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия; вычисляются все подводимые при этом к системе порции тепла dQ, делится каждая на соответствующую ей абсолютную температуру T, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных (не идеальных) процессах энтропия изолированных систем возрастает (она не может убывать) -

dS=dQ/T.

Или иначе: в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.

В изолированной системе энергия самопроизвольно может переходить только от более высокого уровня к более низкому, но никак не наоборот.

Гиббс объединил первое и второе начала термодинамики уравнением, в котором по существу заключена вся равновесная термодинамика –

dU=TdS-dW.

«Третье начало»: При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение S=0, не зависящее от давления агрегатного состояния и других характеристик вещества. Эту величину можно положить равной нулю.

Вся термодинамика необратимых процессов основана на гипотезе о линейных связях потоков и термодинамических сил. Применимость ее к открытым системам - своеобразный камень преткновения для экологов.

Энтропия - одно их сложнейших физических понятий, заслужившее даже эпитет "скользкого". Как только не пытались его пояснить. Это - одна из величин, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел; мера для определения степени необратимого рассеяния (потери) энергии в термодинамических процессах; вероятная мера хаотичности, неупорядоченности процессов и структур; и т.п.

Очень важно уточнение критериев отнесения процессов к обратимым и необратимым. Обратимый процесс - такой, при котором система находится в состоянии бесконечно близком к термодинамическому равновесию, и, если установившиеся условия даже незначительно изменить, то процесс будет обращен. Это обращение обратимого процесса не вызывает остаточных изменений в окружающей среде.

При необратимом процессе система направленно изменяется к конечному состоянию, теряя тепло. Здесь обращение необратимого процесса связано с остаточными изменениями окружающей среды.

Особенностью биосистем (да и любых экосистем) является то, что в них практически нет обратимых процессов. А, следовательно, существование этих систем сопровождается увеличением энтропии.

Вместе с тем, в живых системах осуществляются и процессы, когда энергия их переходит на более высокий уровень. В частности, при фотосинтезе. Идет обмен энергией с окружающей средой. Таким образом, биосистемы являются системами безусловно открытыми, в которых приток свободной энергии ведет к уменьшению энтропии. Это условно изолированная система.

Необходимость изучения открытых систем определило современное направление термодинамических исследований. Самоорганизация в открытых системах - "островок сопротивления" второму началу, которое предсказывает дезорганизацию и разрушение первоначально заданной структуры в изолированной системе при эволюции к равновесию.

Вскрыть проблему можно, рассматривая организм не изолировано от внешней среды, а во взаимодействии с ней.

Энергетическую характеристику открытой биологической системы, в соответствии со вторым началом термодинамики, дал И. Пригожин, получивший за это Нобелевскую премию:

dS/dt=d_iS/dt+d_eS/dt,

где dS/dt - скорость изменения энтропии открытой системы, d_iS/dt - скорость образования энтропии в системе за счет внутренних необратимых процессов, d_eS/dt - скорость обмена энтропией с внешней средой.

Это уровнение выражает суть энергетических процессов в открытой биологической системе.

Заслугой неравновесной термодинамики является установление факта, что самоорганизация является общим свойством открытых систем. Именно неравновесность служит источником упорядоченности. Самоорганизация или внутренняя структура поддерживаются за счет поглащения отрицательной энтропии (негэнтропии, по Бриллюэну).

В ходе неравновесного процесса из пространственно однородного состояния спонтанно (самопроизвольно) возникает пространственная или временная структура. И. Пригожин относит их к диссипативным.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной термодинамики. Существование диссипативных структур легализовало существование жизни.

Диссипативные структуры - структуры, самопроизвольно возникающие в неустойчивой насыщенной энергией среде, благодаря обратным связям, выводящим систему из равновесия. Возникая из малых флуктуаций, диссипативные структуры проявляют способность к саморазвитию, размножению, агрессии, что оплачивается затратами поступающей извне или накопленной ранее энергии.

Энергия не может бесконечно долго накапливаться в системе.

Достигая порога прочности системы, энергетический потенциал выплескивается в той или иной форме, и энергия затрачивается на преобразование сложившегося порядка. Но и для системы-ловушки освобождение энергии никогда не походит бесследно. Здесь действует обратная зависимость отрицательного типа между двумя компонентами систем: структурой и энергией.

₊



Структура Энергия



⁺

Накапливает энергию Разрушает структуру

и периодически освобождает ее и создает новую

Таким образом, консервативное и динамическое начало соединяются в классический контур кольцевой связи, осуществляющей саморегулирование по канонам кибернетики. Цикличность разрушений и созиданий - одна из закономерностей эволюции систем.

Чем более совершенна система, тем больше она управляет своим собственным движением по антиэнтропийному пути.

Научная дисциплина, исследующая процессы вынужденного и самопроизвольного возникновения порядка из хаоса, а также обратного процесса - хаотизации организованных структур, носит название синергетики.

Одна из закономерностей биологии состоит в том, что обмен веществ в живом организме влечет за собой деградацию окружающей среды. По образному выражению Э. Шредингера, живые организмы "питаются негэнтропией".

Классическая физика утверждает, что работа, которая и есть замена одного порядка другим, равноценна затраченной на нее энергии. Термодинамика уточнила эту формулу. Затрачивается не всякая энергия, количество которой постоянно, а свободная энергия.

Переход от одного уровня согласованности на другой может быть описан как изменение количества беспорядка (энтропии, в нормированном выражении E/E_max) или количества порядка (избыточности R=1-E/E_max). Сумма этих величин равна 1.

Деградация энергии сопровождается снижением ее пространственной концентрации, увеличением однородности распределения.

Согласно энтропийной формуле Шеннона

_n

H = p_i log p_i,

ⁱ⁼¹

где H - количество нереализованной, потенциальной информации, p_i - вероятность осуществления i-го варианта из всего множества n вариантов.С ростом однородности структуры количество содержащейся в ней информации, то есть количества порядка увеличивается.

Всякая деградация энергии сопровождается повышением порядка в соответствующих структурах.

Своеобразны экодинамические законы, разработанные для целей экологии.

В живой природе отмечается стабильное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на некоторую смену их по ходу эволюции. Это было подмечено Ю. Гольдсмитом, развивающим идеи редукционистских "физических" подходов воззрения.

Согласно ему, первый закон экодинамики - закон сохранения структуры биосферы (информационной и соматической).

Для сохранения этой структуры живое вещество стремится к экологическому равновесию, к состоянию зрелости.

Отсюда второй закон экодинамики - закон стремления к климаксу (близок к принципу сукцессионного замещения).

Третий закон - принцип экологического порядка, или экологического мутуализма (взаимный вид сожительства). Целое влияет на его части и обратно.

Четвертый закон - закон саморегуляции и самоконтроля живого вещества, проявляющегося в процессе адаптации к изменениям в ок-ружающей среде. Он управляет каскадными и цепными процессами общего взаимодействия - в ходе борьбы за существование, естественного отбора, широкой коэволюции и т.п. Результат действия этого закона - сохранение и развитие экосистем биосферы в целом.