Термодинамика систем

Очевидно, в жизни экологических систем действуют общие термодинамические принципы и законы сохранения энергии, вещества, информации.

Наиболее очевиден закон (принцип) энергетической проводимости: поток энергии, вещества и информации в системе как целом должен быть сквозным, охватывающим всю систему или косвенно отзывающимся в ней. Иначе система не будет иметь свойства единства. Это закон (принцип) не следует понимать слишком упрощенно и ограничиваться короткими интервалами времени. Очевидно, для любой, в том числе и экологической, системы определенного уровня иерархии длительность прохождения потока энергии, вещества и информации будет специфичной. Больше всего расчетов сделано для воды. Водообмен в биологической особи занимает часы, влаги в атмосфере (следовательно, н в аэробиосфере) — 8 дней, свободных континентальных поверхностных вод — от 16 дней в реках до 17 лет в озерах; подземные воды обновляются за 1400 лет, а воды океана за 2500 лет. Очевидно, существует характерное время транзита энергии и обмена веществ во всех природных системах мира.

Ю. Н. Куражсковский (Введение в экологию и природопользование. Ростов-на-Дону: Ростовское кн. изд-во, КПК «Кристалл», 1990. 157 с.) на с. 25 назвал закон (принцип) энергетической проводимости законом сохранения жизни: «Второй экологический закон —закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации.

Закон сохранения массы: сумма массы вещества системы и массы эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. Первоначальная формулировка этого закона — масса (вес) веществ до химической реакции равна массе (весу) веществ после химической реакции, а более расширительно — масса поступающего в систему вещества минус масса выходящего из системы вещества равна массе накапливаемого в системе вещества. Если накопления или убывания вещества в системе не наблюдается, она находится в устойчивом, гомеостатическом состоянии. Близкий к этому закон сохранения энергии, или первый принцип (закон, начало) термодинамики, гласит: любые изменения в изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной; или: при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

В экологин особенно значим второй принцип (начало, или закон) термодинамики, имеющий множество формулировок и смысловых оттенков. Три важнейших для экологии: I) энергетические процессы могут идти самопроизвольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную; 2) потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности стопроцентного перехода одного вида энергии (кинетической) в другую (потенциальную) и наоборот; результат — невозможно создать вечный двигатель 2-го рода; 3) закон возрастания энтропии: в замкнутой (изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.

В открытых системах, согласно теореме сохранения упорядоченности в них, сформулированной И. Р. Пригожиным (1955), энтропия не возрастает — она в открытых системах падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля. При этом в системе вещество распределяется неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других местах резко снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности. Деятельность же живых систем всегда негэнтропийна, пока сохраняется их свойство системности: таково индивидуальное развитие организмов, средообразующая их роль в биосфере и другие процессы в открытых системах.

Все системы, с которыми приходится иметь дело экологии, негэнтро- пийны, упорядочены таким образом, что, по известному меткому выражению Ю. Одума, как бы «откачивают из сообщества неупорядоченность».

Это происходит до тех пор и постольку, поскольку действует принцип JIe Шателье — Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Поскольку в биосфере механизм осуществления принципа Ле Шателье — Брауна основывается на функционировании систем живого, оно, это функционирование, как постулировал В. И. Вернадский, служит основным регулятором общеземных процессов. Как показано в ряде работ, и прежде

alt="" />

всего В.

Важное значение для экологических и биолого-эволюционных процессов имеет общефизический закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера, или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или минимум роста энтропии). Очевидна прямая связь обсуждаемого закона и закона оптимальности (разд. 3.2.1).

He менее тесно связан с другими энергетическими постулатами закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на само

сохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффектному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества как такового не гарантирует система успеха в конкурентной группе других аналогичных систем. Первоначально закон энергии и информации был сформулирован (Г. и Э. Одумы) как закон максимизации только энергии: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из ннх, которая наилучщим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом (рис. 3.1). «С этой целью система: создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; затрачивает накопленную энергию на обеспечение поступления новой эиергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов »(Г.

Закон максимизации энергии и информации имеет более обобщенную и краткую формулировку в виде принципа максимизации мощи: системы с мощной энергетикой вытесняют системы с более низкой энергетической «мощью». Вероятно, следует добавить «как правило», так как иногда низкоэнергетические системы имеют преимущества в силу меньшего воздействия на среду и лучшего соответствия столь же низкому энергетическому потенциалу этой среды. Видимо, следует более точно учитывать закон оптимальности (разд. 3.2.1). Например, многие примитивные и низкоэнергетические виды живого в относительно стабильной среде остаются неизменными и вполне конкурентоспособными на протяжении миллионов лет, хотя вокруг имеются так или иначе конкурирующие более, казалось бы, энергетически совершенные и более высоко организованные виды.

Обобщающим выводом из серии закономерностей энергетического ряда может служить правило основного обмена: любая большая динамическая система в стационарном состоянии использует приход энергии, вещества и информации главным образом для своего самоподдержания и саморазвития. Таково соотношение основного метаболизма и производимой организмом работы, таково положение в экосистемах и хозяйстве. Это правило нередко не учитывают и сетуют, что де государственный аппарат работает лишь на себя, промышленность делает то же и т. д. Иной ситуации при системном застое н быть не может...

В главе 2 приведена таблица «системы систем» и разобрана иерархия экосистем. Очевидно, законы сложения систем, их внутреннего развития и энергетики должны подводить к формированию закономерностей построения иерархии системного мира—взаимоотношений прежде всего на одном иерархическом уровне, так сказать, в третьем измерении таблицы (см. табл. 2.1). Если каждый новый уровень организации, отраженный этой таблицей, возникает как дупликация целостных подсистем, то более элементарный процесс можно ожидать и в рамках одного уровня иерархии системных образований, и тут имеется уже достаточное число системных законов, некоторые из которых в приложении к конкретным структурам оказались полу- или полностью забытыми.

Принцип иерархической организации, или интегративных уровней Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева Закон гомологических рядов и наследственной изменчивости Н. И. Вавилова Периодический закон географической зональности А. А. Григорьева—М. И. Будыко Закон периодичности строения системных совокупностей, или системопериодический закон

Глава 2 была фактически целиком посвящена иерархии систем, прежде всего биосферы и входящего в нее живого. Общие принципы формирования иерархии: I) дублирование относительно разнокачественных структур, составляющих в своей организованной совокупности нечто новое, т. е. наличие свойства эмерджентности (древние говорили: целое больше суммы его частей) и 2) определенность функциональной цели организации в рамках связей со средой и внутренних возможностей системы. Сам принцип иерархической организации, или принцип интегративных уровней, в биологии и экологии принимается как аксиома или эмпирически наблюдаемый факт (разд. 3.10). Столь же аксиоматически утверждается и проявление эмерджентности с переходом от одного уровня иерархии к другому. Эмерджентность — наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам, элементам и (несистемным) блокам, а также сумме элементов и блоков, не объединенных системообразующими связями. Свойство цели как функциональное состояние и закономерность построения системы, достигаемая путем возникновения обратных связей, создает некое поле взаимодействий. Это поле не может быть бесконечным по способу организации, так как любая система существует в рамках ее характерного времени и пространства (размера).

Размер системы, или характерный размер системы,— это пространственная ее протяженность (объем, площадь) или масса, а также минимальное (максимальное) число подсистем, позволяющее системе существовать и функционировать с осуществлением саморегуляции и самовосстановления в рамках своего характерного времени, системное время (характерное, или собственное, время системы) — это время, рассматриваемое в рамках периода существования данной системы и/или происходящих в ней процессов. Эти процессы ограничены термодинамикой системы, ее функциональными особенностями. Сочетание цели системы, ее характерного времени и пространства создает предпосылки для действия закона оптимальности, разобранного в разд. 3.2.1. В то же самое время, поскольку системы с одной и Tqfl же функциональной целью, формируемой обратными связями, располагаются на одном уровне иерархии и поэтому ограничены однотипным характерным временем и пространством, их построение подчинено одному ряду внутренних закономерностей. Это — смысловое «третье измерение» табл. 2.1, упомянутое в главе 2.

Ограничение числа и форм взаимодействия подсистем одного системного уровня ограничивает «фантазию природы», укладывает ее в строго лимитированный закономерный ряд образований. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева (свойства химических элементов, проявляющиеся в простых веществах и соединениях, находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов) был первой формализацией «третьего измерения» таблицы «системы систем» (см. табл. 2.1). Тот же характер имеет закон гомологических рядов и наследственной изменчивости Н. Я. Вавилова. (Родственные виды, роды, семейства и др.

Рис. 3.2. Периодический закои географической зональности: Ir — радиационный индекс сухости (отношение радиационного баланса к количеству тепла, необходимому для испарения годовой суммы осадков). Диаметры кружков пропорциональны биологической продуктивности ландшафтов

систематические категории обладают закономерно возникающими гомологичными генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе сравниваемые таксоны. Гомология генов у родственных форм проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости. Циклы изменчивости проходят через все роды и виды, составляющие семейство). Менее известен и признан периодический закон географической зональности А. А. Григорьева — Mt И. Будыко: со сменой физико-географических поясов Земли аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются (рис. 3.2).

Периодическое повторение свойств в рядах систем одного иерархического уровня, видимо, общий закон мироздания. Он был сформулирован как закон периодичности строения системных совокупностей, или системопериодический закон. Формулировка первого варианта: конкретные природные системы одного подуровня (уровня) организации составляют периодический или повторяющийся ряд морфологически аналогичных структур в пределах верхних и нижних системных пространственно-временных границ, за которыми существование систем данного подуровня делается невозможным (они переходят в неустойчивое состояние или превращаются в иную системную структуру, в том числе другого уровня организации)[29]. Более обобщающая формулировка дана мною в словаре- справочнике «Природопользование»: принципы структурного построения и управления однородных природных систем в иерархическом соподчинении и особенно сложении таких же природных систем одного уровня организации (иерархии) повторяются с некоторой правильностью в зависимости от действия единого (комплекса) системообразующего фактора (факторов)[30]. Конкретные примеры иерархии экосистем приведены в главе 2.

Периодичность систем природы не исчерпывается приведенными выше частными законами периодического строения элементов, гомологических рядов и географической зональности, Она проявляется в строении космических тел, прохождении геологических эпох, сукцессионных стадий развития экосистем и во многих других случаях.

СистемопериодИМеский закон можно считать всеобщей закономерностью, действующей во всем системном мире, в том числе в системах с участием живого — экосистемах. Поскольку они всегда составлены живым и средой, окружающей это живое, очевидно, следует обратиться к группе связей, определяющих основные принципы взаимоотношений системы с окружающей ее средой.