Жизнедеятельность экосистем
Энергия и жизнь
Феномен земной биосферы зиждется на обмене энергией, веществом и информацией Биогеохимический круговорот вещества, осуществляется за счет процессов саморегуляции, в которых участвуют все составные части экосистем. Эти процессы 23
можно характеризовать как замкнутые и безотходные. Что же касается движения энергии в экосистемах, то здесь картина выглядит совершенно по-иному.
Энергию часто определяют как способность систем производить работу. В более общем случае под энергией понимается способность материальных систем к движению. Свойства энергии описываются двумя началами (законами) термодинамики.
Первое начало гермодинамики (закон сохранения энергии) утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново.
Второе начало термодинамики (закон увеличения энтропии) гласит, что в замкнутой системе энергия стремится распределиться равномерно, т.е. система стремится к состоянию термодинамического равновесия.
Дело в том, что при переходе энергии из одной формы в другую в конечном итоге она необратимым образом переходит в форму тепла, которое и распределяется равномерно. В частности, это означает невозможность передачи тепла не только от холодного тела к нагретому, но и между одинаково нагретыми телами. Для того чтобы в системе возобновилось тепловое движение, необходимо сообщить ей энергию извне.
Применительно к энергии в системах удобна следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что свободная энергия системы рассеивается. Степень рассеяния энергии характеризуется величиной энтропии. Энтропия (entropia - греч. превращение, поворот) - мера количества энергии, которая становится недоступной для использования, мера беспорядка в системе. Этот фундаментальный закон природы имеет несколько следствий:
При необратимых (самопроизвольных) процессах, ведущих систему к состоянию равновесия с окружающей средой, ее энтропия возрастает. Системы, находящиеся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, имеют максимальную энтропию. Это наиболее вероятное для системы состояние, и самопроизвольно без внешних воздействий она выйти из него не сможет. Так, например, раскаленная сковородка, остыв, рассеяв тепло, сама уже не нагреется. Энергия при этом не потерялась, а передалась другим предметам: она нагрела воздух и стол, на котором стоит сковородка.
Здесь необходимо отметить одно чрезвычайно важное обстоятельство. Оно состоит в том, что второе начало термодинамики выполняется с точностью до флуктуаций -случайных локальных отклонений энергии системы от достигаемого среднего значения. Именно благодаря наличию флуктуаций в системах любой природы состоялась эволюция неживой природы, подготовившая феномен биологической эволюции.
Нередко понятие энтропии, служащей мерой беспорядка в системе, используется для характеристики деградации различных материалов. Так, недавно выплавленная сталь -это низкоэнтропийное состояние железа, а ржавый кузов автомобиля высокоэнтропийное. В неживых системах, как правило, устойчивым является их равновесное состояние с высокой энтропией.
Живые биологические системы, в отличие от неживых, совершают постоянную работу против равновесия с окружающей средой, создают и поддерживают высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой энтропией. В составе 24
любой биологической системы существуют подсистемы, позволяющие улавливать (извлекать) и концентрировать энергию из окружающей среды.
Рассеивание энергии, то есть увеличение энтропии, - это процесс, характерный для любой системы, как неживой, так и живой, а постоянное самостоятельное извлечение и концентрация энергии - это способность только живой системы. При этом происходит извлечение порядка, организации из окружающей среды, то есть выработка "отрицательной" энтропии - негэнтропии. Такой процесс образования порядка в системе из хаоса окружающей среды называется самоорганизацией. Он ведет к уменьшению энтропии живой системы и противодействует установлению ее термодинамического равновесия с окружающей средой, означающего только одно -распад, смерть.
Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде доступной энергии; во-вторых, способности эту энергию улавливать и концентрировать, а, использовав - рассеивать в окружающую среду. Можно говорить о том, что живые системы любого иерархического уровня в процессе своей жизнедеятельности непрерывно производят энтропию, рассеивают ее в окружающую среду, а из нее черпают упорядоченность, т.е. новые запасы энергии.
По определению выдающегося физика Эрвина Шредингера, «жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время». И далее «...средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды»
