«Жизнь есть создание солнечного луча»

Р. Майер

Семинар «Основные энергетические характеристики экосистем» Вопросы семинара

1.Энергетическая характеристика экосистем.

(Четыре фундаментальных типов экосистем по зависимости от энергии солнечного излучения и других видов энергии; 2 закон термодинамики для живых экосистем, понятие энтропии - величины характеризующей направление естественных процессов.)

2.Фотосинтез - основной источник энергии (характеристика солнечного излучения, спектр поглощения, ФАР, альбедо, суммарный итог химических реакций фотосинтеза, место прохождения фотосинтеза, роль АТФ. Дыхание живых организмов. Хемосинтез и химический механизм. Хемотрофный организм.)

3.Продуктивность экосистем. (Первичная и вторичная. Валовая и чистая. Трофические структуры сообщества: сети, цепи, пирамиды. 4 класса экосистем по продуктивности).

4.Круговорот веществ в природе ( большой и малый круговорот, скорость, время протекания. Обменный и резервный фонды. Биогенные элементы. Круговорот азота, фосфора, серы, кислорода).

1.Энергетическая характеристика экосистем

Второй закон термодинамики в природе.

Движение энергии в биосфере существенно отличается от движения вещества. Согласно принципу роста энтропии, поток энергии направлен всегда в одну сторону, круговорот энергии невозможен. Живое вещество уменьшает энтропию части энергии, аккумулируя в своих структурах. Но большая часть энергии, проходя через биосферу, деградирует и покидает планету в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично. . Впервые наиболее полно понятие энергии было прорабогано в термодинамике, что вылилось в формулировку .двух наиболее основополагающих законов, описывающих свойства.энергии:

1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) – энергия может переходит из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создастся заново;

2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть

переходом энергии в более рассеянное состояние.

Известно, что во всех естественных процессах теплообмена, тепло передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда не наоборот. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и, как выяснилось, вообще любых процессов преобразования энергии.

Энтропию называют тенью энергии. Под энтропией понимают меру

качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Разные виды энергии обладают разным качеством. Так, например, упорядоченное движение частиц твердого тела (механическое движение) обладает большим качеством, чем хаотичное движение этих же частиц с той же средней скоростью (тепловое движение). Когда мы говорим об энергии, особенно в контексте, связанном с энергетическим кризисом, следует помнить, чтоэнергии на Земле вполне достаточно. Теплоход,идущий по океану, идет по морю энергии.Тем не менее он вынужден вести с собой запас угля, потому что энергия, запасенная в океане обладает низким качеством. Для полезного использования нужна именно высококачественная энергия, энтропия которой ниже энтропии энергии, рассеянной в окружающей среде. Энергию океана можно использовать только при наличии холодильника с более низкой температурой, чем температура океана. В качестве такого холодильника может выступать только космос, в который Земля "сбрасывает" излишки тепла. За счет этого ресурса во многом формируется энергия ветров. Именно разность энтропий на входе и выходе энергетического потока порождает фактор, который мы обозначаем понятием силы, приводящей в движение все процессы в природе. По сути дела, любая сила имеет энтропийную природу.

Рассмотрим пример с мячом. Если он туго накачан, то можно выделить область, ограниченную поверхностью мяча, где концентрация (носителей энергии) больше чем в окружающей среде. Накачивая мяч, мы создаем неравновесие в системе, упорядочивая частицы в пространстве и величивая концентрацию энергии. По второму закону термодинамики система стремится к состоянию с максимумом энтропии. Это воспринимается в окружающем мире как проявление силы давления. Чем дальше система от равновесного состояния, тем больше сила. Эта сила создает поток энергии, направленный в сторону уменьшения неравновесия в системе. Остановить этот поток может только то, что при его появлении по каким-то причинам будет уменьшаться энтропия. Но растяжение резины поверхности мяча как раз и приводит к уменьшению энтропии. Понять это можно, рассмотрев строение молекулы каучука. Она представляет собой длинную полимерную цепь, свернутую в клубок случайным образом. Попытка выпрямить ее путем растяжения резины приводит к увеличению порядка в молекуле, то есть к уменьшению энтропии. Таким образом, два противоречивых фактора оказывают противоположные воздействия, в системе устанавливается такое состояние, которое соответствует локальному максимуму энтропии. Наличие упорядоченных структур типа кристаллических решеток, живых организмов и т.п., способствует упорядочению движениячастицзасчет уменьшения их степеней свободы. Поэтому принцип роста энтропии требует роста количества степеней свободы в каждом реальном процессе превращения энергии. Поэтому все упорядоченные структуры имеют тенденцию к разрушению. "Все разрушается, все умирает, все приходит в хаос" - это еще одна формулировка второго закона термодинамики.

Правда, помимо такого разрушения есть еще один способ увеличения количества степеней свободы – усложнение структуры системы. Именно по этому пути движется глобальный эволюционный процесс. При этом природа никогда не стремится достичь полного хаоса на данном уровне системной иерархии. В этом случае эволюция Вселеннойостановиласьбыдостаточно быстро. Обычно в пределах данного иерархического уровня открываются некоторые устойчивые структуры, из которых строятся более высокие иерархические уровни, характеризующиеся большими значениями максимально возможной энтропии, чем на предыдущем уровне. Это дает возможность непрерывному росту энтропии.

Так, обычно тенденция к возникновению хаоса реализуется в стремлении вещества к рассеянию (например, растворение сахара в воде). Но в случае сложных органических соединений, больший хаос (рассеяние энергии) может быть достигнут именно при концентрации вещества. Например, капли масла, рассеянные в воде, стремятся слиться в одну большую каплю. Дело в том, что молекулы воды "окутывают" молекулу углеводорода своеобразной урядоченной оболочкой. Поэтому чем больше поверхность масла, тем более упорядоченными оказываются молекулы воды, чего природа допустить

не может. Поэтому в хаосе движения капель они обязательно рано или поздно примут состояние с наименьшей поверхностью, то есть сольются в одну большую каплю. Именно это, вероятно, послужило в свое время началом одноклеточной жизни. Так, в растворе белковых молекул формируются так называемые коацерватные капли, имеющие стабильную и иногда достаточно сложную структуру и поглощающие из раствора строго определенные вещества.

В биосистемах стремление к хаосу реализуется еще в более сложных механизмах. Примером тому может служить процесс деления клеток. Производство энтропии за счет протекания внутриклеточных пропессов пропорционально объему клетки V, а отток энтропии из клетки пропорционален площади ее поверхности S. Если клетка имеет форму шара, то V = 4πr³/З, S = 4πr². Прирост энтропии в клетке , ∆S = А 4πr³/З - В4πr².

При малых радиусах прирост энтропии ∆S < О. С ростом клетки ее радиус увеличивается, пока не достигнет некоторого критического значения при r =3В/А, характеризующегося ∆S = О. В случае дальнейшего роста энтропия в клетке будет расти ∆S > О. Чтобы не допустить этого, она должна разделиться, иначе она погибнет от голода, перегрева и отравления своими же отходами. Существуют и другие механизмы, решающие данную проблому. Клетка может увеличить площадь своей поверхности, например, приобрести форму эллипсоида, цилиндра (палочки) или нити, образовать корнеподобные выросты. ложноножки и т.п. Многоклеточные организмы решают подобную проблему аналогичным образом. У растений увеличивается поверхность листьев и корней. У животных в отличие от растений подобное увеличение поверхности упрятано обычно внутрь организма, чтобы не мешать движению. Достаточно вспомнить развитые поверхности кишечника, органов дыхания, кровеносной системы и т.п. Например, общая поверхность всех эритроцитов взрослого человека составляет около 3000 м2, общая длина всех капилляров - около 100 000 км и т.д.

Нечто аналогичное происходит и в рамках таких сверхорганизмов, как экосистемы. Здесь дифференциация достигается путем увеличения экологических ниш и разнообразия видов, населяющих данную экосистему, удлинением и усложнением пищевых цепей, совершнствованием внутривидовых и межвидовых отношений и т.п. Все это есть следствие принципа роста энтропии.

Таким образом, разрушение структуры, требуемое принципом роста энтропии, является необходимым компонентом жизненного процесса. Но жизнь научилась использовать разрушение во благо, поэтому разрушение не обязательно сопровождается гибелью биосистем. "Умеренное разрушение", на которое накладываются определенные запрограммированные ранее ограничения, приводит к расширению и усложнению жизни. Наиболее характерно в этом отношение деление клетки. Здесь смерть и рождение слились в одном процессе. Очень ярко об этом свойстве жизни выразился Ричард Бах: "Там, где глупец видит смерть гусеницы, мудрец видит рождение бабочки".

Энергетическая характеристика экосистем

В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние, в окружающее пространство.

Для характеристики этих процессов необходимо привлечь законы термодинамики, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь преврашаться из одной формы в другую, но она никогда никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит в различных живых системах и охватывает длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может бьтъ в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в технике - как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную.

Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки эрения, энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит от источника ее получения, например, пища, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т. е. от автотрофных организмов, а и.менно зеленых растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т. е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается. В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому, если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т. е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например. ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом,

чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.

Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе задача экологии по сути дела сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения применения их энергии в интересах развития общества и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем.

1.Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то, что такие системы не в состоянии поддерживать достаточную плотность населения, они тем не менее важны для сохранения необходимых экологических условий на планете. Следует также отметить, что такие при родные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.

2.Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов, большие озера, тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счет энергии, например, морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и тому подобных источников.

3.Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, у г оль, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений, улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4.Собременные индустриально-городские системы, использующие, главным образом, энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания больших масс сконцентрированного в городах и индустриальных центрах населения. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания - от сельского хозяйства.