Читайте также:
|
|
Действительно, солнечная энергия Qсопн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентриро-
Глава 3. Энергия в экосистемах
ванной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Q солн = qрасс + q конц
Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qcoлн) Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис. 3.1).
То же самое происходит в антропогенных сельскохозяйственных экосистемах. На рис. 3.2 показаны потоки энергии, обеспечивающие работу фермы. Схема представляет четыре потока энергии, поступающие от солнца Q согн, с дождем q д, питательными веществами q пв i, работой человека и машин qч, которые взаимодействуют в процессе производства продуктов питания.
Согласно первому закону термодинамики энергия, поступающая в систему из четырех источников, преобразуется в два потока: выносимую из системы энергию продуктов питания qn и рас-
Глава 3. Энергия в экосистемах
сеянную тепловую энергию q т.
Qс олн + qд + qп.в + qч = qт+ qп
Согласно второму закону количество энергии, заключенной в продуктах питания, значительно меньше общего количества поступившей, которая превращается в основном в рассеянную тепловую энергию qт:
qп < Qc олн + qд+ qп.в + qч
Рис. 3.2. Потоки энергии, обеспечивающие работу срермы (по Г. Одуму и Е. Одуму, 1978)
Экология, по сути дела, изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света.
Отношения между растениями - продуцентами и животными -консументами управляются потоком аккумулированной растениями солнечной энергии. Весь живой мир получает необходимую энергию в основном из органических веществ, созданных растениями.
Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы.
Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими
Глава 3. Энергия в экосистемах |
Глава 3. Энергия в экосистемах
протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Например, наше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощностью 100 ватт - вот почему в переполненной людьми комнате жарко.
В технических системах происходит то же самое. При движении автомобиля в механическую энергию движения и электрическую энергию всех его систем превращается лишь около 10 % энергии сгорающего бензина. Остальные 90 % в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются для нас в космическом пространстве. Энергия потребленного бензина не исчезает, а превращается в формы, практически недоступные для использования. При горении электрической лампы только 5 % электрической энергии, проходящей через проволоку лампы накаливания, превращается в полезное световое излучение, а 95 % теряется в виде рассеянной тепловой энергии.
Рассеиваемая теплота есть энергия хаотического движения молекул, которое мы воспринимаем как ощущение тепла. При всех энергетических процессах, в том числе и технологических, происходит переход системы от более высокого уровня организации («порядка») к более низкому («беспорядку»).
Для определения степени неупорядоченности состояния системы употребляют термин энтропия (гр. ел-внутрь, trope- превращение). А
тенденцию потенциальной энергии к деградации, к самопроизвольному превращению в рассеянную тепловую энергию называют возрастанием энтропии.
Энтропия является физической мерой беспорядка, т. е. мерой количества связанной потенциальной энергии, которая становится недоступной для использования.
Высокоупорядоченные системы обладают низкой энтропией, а неупорядоченные, в которых вещество или энергия рассеяны, характеризуются высокой энтропией (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Примеры систем с низкой и высокой энтропией
Таким образом, в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходят потери полезной энергии, которая переходит в менее полезную, рассеивающуюся в виде низкотемпературного тепла и не способную выполнять работу. В то же время в природных экосистемах энергетические потоки создают (возможно, спонтанно) из хаоса природных веществ порядок, т. е. структуры, обладающие низкой энтропией.
Преобразования энергии в живой материи имеют свои особенности и на первый взгляд не согласуются с теорией классической термодинамики. К. М. Петров (1997) отмечает: «Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Дарвина».
Глава 3. Энергия в экосистемах
В соответствии с законами термодинамики дезинтеграция Вселенной неизбежна, если рассматривать ее как закрытую систему. Согласно второму началу термодинамики энтропия будет расти, а запас полезной энергии, приводящей «мировую машину» в движение, рано или поздно будет исчерпан. Рост внутренней неупорядоченности приведет к переходу высокоорганизованных структур к низкоорганизованным, к их разрушению, т. е. к «тепловой смерти».
В соответствии с теорией эволюции направление развития разнообразных форм жизни в биосфере имеет противоположную тенденцию - от низкоорганизованных форм к высокоорганизованным. Живая материя удивительным образом организуется в упорядоченные структуры как бы вопреки утверждению второго закона термодинамики.
Многие теоретики давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ приводит к накоплению полезной энергии в экосистемах и как бы опровергает второй закон термодинамики. На недостаточность второго закона термодинамики еще в конце прошлого века обратил внимание украинский ученый С. А. Подолинский (1850 -1891). Он подчеркивал наличие в природе процессов, противоположных рассеиванию энергии: процессов накопления и концентрации солнечной энергии. С. А. Подолинский приложил законы энергии к экономическим явлениям и показал роль человеческого труда в аккумуляции полезной энергии: расширении запасов продуктов питания, повышении количества концентрированной солнечной энергии, в том числе с помощью гелиотехники.
К. А. Тимирязев (1903), анализируя термодинамические функции хлорофиллового аппарата растений, считал их антиэнтропийными процессами, так как они приводят не к рассеиванию, а к концентрации солнечной энергии.
В. И. Вернардский (1928) подчеркивал, что появление жизни на Земле связано с накоплением в биосфере «активной энергии» при одной и той же исходной энергии Солнца.
Глава 3. Энергия в экосистемах
А. Е. Ферсман (1937) писал, что процессы биогенеза привели к тому, что «сложные органические соединения живого вещества оказались с еще большими запасами энергии, и законы энтропии если не нарушаются, то во всяком случае замедляются процессами жизни».
Уникальные функции преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в природе выполняют растения. Все формы жизни - это крошечные «хранилища» порядка, который поддерживается созданием моря беспорядка в окружающей их среде. Чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергии. Следовательно, современные промышленно развитые сообщества повышают энтропию окружающей среды, т. е. разрушают ее в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.
Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожий (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться, в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипа- тивными структурами» (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т. е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т. е. рассеивает тепло.
Дата добавления: 2015-07-20; просмотров: 307 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Биом - это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности. | | | Дыхание упорядоченной биомассы выполняет функции «диссипативных структур» экосистем. |