Экосистемы и первый закон термодинамики

Экосистемы (природные и природно-техногенные) — это незамкнутые системы, в которых происходит обмен материей, энергией и информацией с окружающей средой. Все реальные процессы, идущие самопроизвольно с конечной скоростью, необратимы, так как действующая сила в таких процессах всегда больше преодолеваемой. Поэтому идеальный цикл Карно неосуществим. Техника функционирует за счет ресурсов биосферы. Тонко сбалансированный сверхоргаиизм биосферы не способен без принципиальных перестроек, оставаясь самим собой, включать необычайно возросший по биомассе и потребностям вид Homo Sapiens и созданную мощную и многообразную технику. Фантасты развивают сценарии о том, что в идеале можно наиболее энергоемкие, вредящие биосфере производства размещать вдали от Земли или в ее недрах.

Все процессы, с которыми, изучая окружающий мир, встречается мыслящий человек, в той или иной мере необратимы. Поэтому выяснение временных зависимостей с термодинамических позиций представляется актуальным. Термодинамический анализ экосистем позволил установить, что органические системы являются динамическими структурами, которые структурированы на всех ступенях развития; они устойчивы вследствие наличия механизма обратных связей, регулирующих значения жизненно важных параметров, и обладают механизмами самовоспроизведения. Для поддержания структуры динамических систем необходим процесс, который называется диссипативным, т. е. процесс рассеяния энергии. Отсюда следует, что термодинамические законы «позволяют» жизни возникнуть на Земле в результате мощной бифуркации при выходе внешних параметров биосферы за критические уровни, но они не раскрывают принципа, благодаря которому возникновение жизни стало неизбежным.

Процессы в геологической среде и поток жизни связаны в единое целое тысячами нитей и подчиняются принципу единства организма и среды, хотя их упорно противопоставляют. Один из «козырных» доводов противопоставления — это невозможность искусственно создать живой организм. Однако жизнь с каждым годом преподносит все больше фактов, заставляющих говорить о связях живого с неживым в масштабах, которые недавно казались невероятными.

Установлено образование молекул аминокислот в вулканических процессах. Гравитационное поле определяет динамику кальциевого обмена в организмах. Магнитное поле оказывает столь сильное влияние, что изоляция человека от магнитного поля Земли становится причиной целого ряда болезненных расстройств. Годичная циклическая активность Солнца увязывается с медицинской статистикой увеличения числа случаев сердечно-сосудистых заболеваний и расстройств систем свертывания крови, а более редкие циклы — с климатическими и фенологическими колебаниями, изменением магнитного момента Земли, сменой тектономагматических циклов и биотических палеоциклов.

Все химические элементы (макрои микротрофные): углерод, азот, фосфор, вода и т. д., необходимые живым организмам для существования, циркулируют между биотопом и биоценозом и могут использоваться бессчетное число раз. С энергией Солнца, которая проходит в виде однородного потока через организмы, дело обстоит совершенно по-другому. Потребление солнечной энергии биосферой только в первом приближении подчиняется двум фундаментальным законам термодинамики (принципам Карно).

Первый закон термодинамики является следствием закона сохранения энергии и вещества, впервые сформулированного М. В. Ломоносовым в 1745—1746 гг. Первый закон установлен в результате работ Гесса (1836), Джоуля (1840), Майера (1842) и Гельмгольца (1847). Он гласит, что энергия системы любого уровня сохраняется. Она не создается и не исчезает. Происходит лишь превращение одних форм энергии в другие (ядерная, химическая, электромагнитная, механическая, геологическая и др.). Энергия Солнца превращается в энергию пищи путем фотосинтеза. Тот факт, что сохраняется именно энергия, а не теплота, стало основополагающим открытием 1850-х гг. Отсюда общая энергия биосферы остается постоянной, а теплота, полученная системой, может быть использована только на увеличение внутренней энергии этой системы и на совершение работы, что выражается уравнением.

где АЕ — изменение энергии в изолированной системе; АН — изменение энтальпии или теплоты системы и AW — работа, выполненная системой на внешнюю среду.

Важное следствие, вытекающее из уравнения (11.1), — широко известное утверждение о невозможности вечного двигателя первого рода, т. е. без получения какой-либо энергии из окружающей среды.

Все органические вещества имеют высокую отрицательную энтальпию, поэтому при сгорании освобождающаяся энергия превращается в тепло, которое система отдает в окружающую среду. Это тепло может быть полезным в другой системе, для производства работы (например, в двигателе внутреннего сгорания). В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, поскольку общая энергия в мире всегда будет оставаться неизменной.

Карно (1824) вывел формулу для предельного коэффициента полезного действия г

при рассмотрении идеального и реального циклов Карно.

Живое вещество отличается от неживого способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию и преобразовывать ее так, чтобы противостоять энтропии. Энергия пищи, поглощенная животными, переводится в теплоту.

Поток энергии в биосфере подчиняется правилам 10 и 1%. Солнце дает Земле колоссальное количество энергии. Всего 1% ее превращается в химическую энергию зеленого листа. Закон пирамиды энергии (или правило 10%) гласит, что с каждой предыдущей ступени на последующую переходит 10% энергии. Из 100% энергии живого вещества 90% приходится на растения, 9% — на беспозвоночных животных и 1% — на позвоночных. На каждой ступени количество энергии уменьшается на 1—2 порядка, но ее качество увеличивается также на 1—2 порядка (табл. 11.2).

Таблица 11.2

Сравнение эквивалентных затрат энергии разных источников.

Человечество находится в стадии энергетического кризиса, и характер будущих цивилизаций, их качество и состав лимитируются в первую очередь энергозатратами.