Условия существования биосферы как открытой неравновесной системы: поток энергии, внутренняя структура

Длительное, стабильное существование жизни на Земле в форме биосферы рассматривается современной наукой как процесс самоорганизации в открытой неравновесной системе планетарного масштаба. С позиций неравновесной термодинамики биосфера – диссипативная структура, высокая внутренняя упорядоченность которой носит динамический, подвижный характер и реализуется за счет постоянного поглощения и рассеивания энергии.

Осуществление в биосфере биогеохимических циклов, определяющих структуру биосферы, требует затрат энергии. В отличие от движения химических элементов, распределение энергии в биосфере представляет собой не круговорот, а однонаправленный поток. В соответствии со вторым началом термодинамики по мере последовательного прохождения через элементы биосферы энергия рассеивается в окружающую среду в виде тепла и не может снова использоваться живыми организмами.

Основным источником энергии для биотического круговорота является электромагнитное излучение Солнца в видимом диапазоне– световое излучение. Вторым источником, незначительным по вкладу в общую энергетику биосферы, является энергия химических связей ряда неорганических веществ. Земля получает от Солнца около 5,4 ∙ 10²⁴Дж в год. Около 40 % этой энергии отражается от облаков обратно в космос, 15 % поглощается атмосферой и до поверхности Земли доходит около 45 %. Но для поддержания структуры биосферы используется не вся энергия, достигшая суши или океана, а лишь та, которая поглощается молекулами хлорофилла зеленых растений и других фотосинтезирующих организмов и преобразуется в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтетики поглощают лишь 1–5 % общего потока солнечной энергии.

Если сопоставить количество энергии, преобразованной в органические вещества растениями, с количеством солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, то коэффициент полезного действия фотосинтеза оказывается крайне низким (менее 1 %), остальная энергия рассеивается в виде тепла. Только в редких случаях, касающихся культурных растений с высокой продуктивностью, можно повысить КПД до 3 %. Общее количество энергии, ежегодно связываемой фотосинтезирующими организмами океана и суши, равно примерно 1,08 ∙ 10²¹Дж, что составляет лишь 0,02 % от общего потока падающей на Землю солнечной энергии. Лишь эту энергию (и энергию, связанную в результате хемосинтеза) могут использовать все остальные гетеротрофные организмы для осуществления жизненных функций, результатом которых является миграция вещества в биосфере.

Фотосинтез, хемосинтез, питание, дыхание и брожение– основные процессы, благодаря которым поток энергии проходит через живое вещество биосферы. Первые два процесса обеспечивают синтез богатых энергией органических веществ за счет поглощениясвета (фотосинтеза) и окисления неорганических веществ (хемосинтеза). Перенос органического вещества и содержащейся в нем энергии от одного организма к другому осуществляется в процессе питания. В ходе дыхания и брожения органические вещества расщепляются, а заключенная в них энергия используется живыми организмами, но в конечном итоге переходит в тепло.

Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери организмами энергии, накопленной автотрофами в ходе фото- и хемосинтеза. Вся высвободившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия излучается поверхностью Земли в мировое пространство, главным образом, в виде электромагнитного излучения инфракрасного диапазона.

В общем энергетическом балансе биосферы принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового светового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового теплового излучения, переизлучаемого нашей планетой. Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность в которой поддерживается за счет разности энтропии поглощаемого и излучаемого потока энергии.

Так как основным источником энергии в биосфере является Солнце, стабильность существования биосферы в первую очередь зависит от постоянства его излучения. Мощность излучения Солнца достаточно стабильна. Однако в истории Земли известны глобальные ритмические изменения климата. Одной из основных причин изменений климата считают небольшие вариации земной орбиты и наклона земной оси, которые меняют количество солнечной энергии, поступающей на Землю. Этого оказывается достаточно для заметных последствий в нелинейной системе “атмосфера – океан”. Малые астрономические факторы являются источником значительных периодических перестроек в климате планеты, а вместе с этим – и в биосфере. Эти глобальные циклические процессы имеют периоды в сотни и десятки тысяч лет. Механизмы их влияния на эволюцию биосферы изучены пока слабо.

Кроме астрономических факторов, на величину потока энергии в биосфере могут влиять и планетарные факторы, такие, как прозрачность и химический состав атмосферы. Так, снижение прозрачности атмосферы, вызванное выбросами вулканического пепла при усилении сейсмической активности или ее запылением и задымлением в результате деятельности человека (промышленные выбросы, пожары, ядерные взрывы), может приводить к уменьшению количества энергии, фиксируемой фотосинтезирующими организмами, а значит, к уменьшению потока энергии в биосфере.

Большую роль в энергетическом балансе биосферы играет содержание в атмосфере углекислого газа. Этот газ свободно пропускает коротковолновое световое излучение, но задерживает длинноволновое тепловое излучение. Поэтому его накопление в атмосфере создает “парниковый эффект”, препятствует рассеиванию энергии в космическое пространство, а значит, способствует повышению энтропии биосферы, ее хаотизации.

Но наряду со стабильностью Солнца, неизменностью орбиты Земли и наклона ее оси, постоянством состава атмосферы важнейшим условием стабильного существования биосферы является сохранность функциональной организации ее биотического компонента. Ведь именно живые организмы, связанные пищевыми взаимодействиями, обеспечивают существование стабильных каналов распределения вещества и энергии.