Жизнь как термодинамический процесс
Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики. Согласно первому закону, называемому законом сохранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной.
Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.
Согласно второму закону термодинамики, называемому законом энтропии, процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). И действительно, теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает!). В природе масса примеров однонаправленных процессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска.
Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия1 (от греч. еп — в, внутрь, trope — поворот, превращение). В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (AS) или равно нулю (при обратимых процессах) или больше нуля (при необратимых процессах). Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности); таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.
Второй закон термодинамики можно сформулировать иначе: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100% .Согласно третьему закону термодинамики, при стремлении абсолютной температуры простых кристаллических тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю. [29]
Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более «концентрирован» энергетический поток, тем выше его качество — способность превращаться в другую форму энергии (или соотношение части энергии, способной сконцентрироваться, и рассеиваемой части энергии). В пищевой цепи и цепи получения электроэнергии (рис. 6.9), включающей этап фоссилизации1, количество энергии всегда уменьшается, а ее качество — увеличивается.
Важнейшая особенность живых организмов, экосистем и биосферы в целом — это способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние [30]
б)
Рис. 6.9. Схема повышения качества и снижения количества энергии, идущей от Солнца, при ее преобразовании в пищевой цепи (а) и цепи получения электроэнергии (б) (по Г. Одуму, Э. Одуму, Ю. Одуму). Цифры — любые относительные единицы
с низкой энтропией. Следовательно, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.
Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии без ее возникновения или исчезновения. Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений.
Экология, по сути, изучает способы превращения энергии внутри экосистем.
Внутри Солнца происходят термоядерные реакции (аналогичные реакции протекают при взрыве водородной бомбы). Энергия этих реакций переходит в энергию света, т.е. энергию квантов излучения, испускаемого Солнцем.
Из Космоса на Землю (к верхней границе атмосферы) поступает солнечный свет с энергией 5 МДж[31]м~2'ч-1 (1360 Вт • м-2, или 2 кал • см-2 • мин-1 — солнечная постоянная), создавая освещенность 140 000 лк. Однако при прохождении через атмосферу он становится слабее. Попадая на почву, воду и прочие компоненты косной природы (табл. 6.2), солнечный свет нагревает их и таким образом преобразуется в теплоту, рассеивающуюся в конце концов в космическом пространстве.
Зеленые растения преобразуют энергию фотонов солнечного света в энергию химических связей сложных органических соединений, которые продолжают свой путь по разветвленным пищевым сетям природных экосистем. Однако в некоторых местах (например, на болотах, в устьях рек и морях) часть органических растительных веществ, попав на дно, покрывается песком раньше, чем станет пищей для животных или микроорганизмов. При наличии определенной температуры и давления грунтовых пород в течение тысяч и миллионов лет из органических веществ образуются уголь, нефть и прочее ископаемое топливо или, по выражению В. И. Вернадского, «живое вещество уходит в геологию».
В XIX и особенно в XX вв. эти запасы разрабатывали и использовали для удовлетворения потребностей человека так интенсивно, что близко и удобно расположенные залежи стали исчерпываться, а поиски новых месторождений завели далеко в море, в отдаленные районы Сибири и Крайнего Севера. Не
случайно преобразование энергии горючего, атомной энергии и других форм концентрированной энергии в современном индустриальном обществе, а также возникающие экологические проблемы привлекают особое внимание.
Потоки энергии у земной поверхности
(по В. Г. Горшкову) *
Таблица 6.2
Энергетический поток | Мощность, ТВг’ |
Солнечная радиация |
|
Поглощение атмосферой и земной поверхностью | 100 000 |
Поглощение океаном | 80 000 |
Расход на испарение в атмосфере | 40 000 |
Турбулентные потоки тепла | 10 000 |
Перенос теплоты с экватора к полюсам: |
|
атмосферой | 10 000 |
океаном | 2000 |
Поглощение сушей | 20 000 |
Испарение: |
|
сушей (эвакотранспирация) | 5000 |
растениями (транспирация) | 3000 |
Ветер | 2000 |
Океанские волны | 1000 |
Фотосинтез | 100 |
Гравитационная энергия падения всех осадков | 100 |
Энергия рек | 3 |
Другие виды энергии |
|
Геотермальная | 30 |
Вулканов и гейзеров | 0,3 |
Приливов океанов | 1 |
Лунного света, падающего на поверхность Земли | 0,5 |
Света, падающего на Землю от всех звезд | 0,001 |
Современное мировое энергопотребление | 10 |
человечества |
|
передаче ее по пищевым цепям.
Человеческая цивилизация — это лишь одно из замечательных явлений природы, всецело зависящее от постоянного притока концентрированной энергии.Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные (кроме собственных) нужды не более 1% от ее общей первичной продукции1.
Как только человечество на грани XIX и XX вв. стало использовать большее количество[32] [33], так, вероятно, с величины 0,5% от общей энергетики биосферы прекратилось действие компенсационного механизма на основе принципа Ле Ша- телье—Брауна: растительность прекратила давать прирост
биомассы, пропорциональный увеличению концентрации С02 в атмосфере, и т. д.
Ориентировочный порог потребления 5—10% от суммы веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям в природных системах, достаточно признан, хотя принят преимущественно на эмпирико-интуитивном уровне. Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения на уровне 1% (правило 1%) от общего потока энергии, проходящего через систему, находится порог выхода системы из стационарного состояния, а на уровне 10% — порог саморазрушения системы.
Особое значение имеет момент «выхода из стационарного состояния ». Для глобальной энергетической системы (коей является биосфера) этот процесс, по мнению Н. Ф. Реймерса, начинается от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2% от величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье— Брауна, и происходят заметные природные аномалии. Так, существенный рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке, а влияние деятельности человека на глобальные климатические процессы за последние двести лет окончательно доказано лишь к концу второго тысячелетия.
Еще по теме Жизнь как термодинамический процесс:
- 11.1. А. И. Вейник. «Термодинамика реальных процессов»
- ВОДНАЯ СРЕДА ЖИЗНИ. АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ К ВОДНОЙ СРЕДЕ
- VII.!. Вода как вещество, ресурс и условие жизни
- I. Закон энтропии в классической термодинамике
- II. Статистическая аналогия закона энтропии
- Понятие отражения в философии и естественнных науках. Отражение и информация. Отражение и изоморфизм
- Э.С.Бауэр. «Теоретическая биология»
- 3.10. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЭКОСФЕРЫ И БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
- ПРИРОДА И ЭКОНОМИКА
- 7.4. Круговорот вещества и энергии — одно из основных свойств динамики географической оболочки
- Г л а в а 1 4 Естественное равновесие и эволюцияэкосистем
- Г л а в а 16 Загрязнение атмосферы
- 5.1. Водная среда жизни
- 17. 2. Динамика общества и его развитие
- Жизнь как термодинамический процесс
- Живое вещество в биосфере
- Пределы жизни
- Глава УШ Жизнь— вечное проявление реальности или временное
- Англо-русский терминологический словарь по микро- и наносистемной технике