Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

Известные экологи

Владимир Вернадский

Эдуард Зюсс

 

Джеймс Лавлок

Энергия в экологических системах. Термодинамические законы функционирования систем. Функционирование систем. Биохимические круговороты.

Под основой внутреннего строения и развития систем являются относительно элементарные физические явления и закономерности, прежде энергетические.

Усваивая солнечную энергию земные растения создают потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы. Превращение энергии в отличие от цикличного движения вещества идут в одном направлении, поэтому говорят о потоке энергии

Наиболее существенным и очевидным из законов термодинамики является закон (принцип) энергетической проводимости или закон сохранения жизни: «Жизнь может существовать только в процессе движения  через живое тело потока веществ, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь». Движение энергии вещества и информации необходимо не только для живого, но и для абиотических  систем. Даже неэксплуатируемые здания скорее приходят в негодность. Это закон функционирования не только жизни, но и всех динамических систем.

Поток энергии, вещества и информации в системе должен быть сквозным,  иначе система не будет иметь свойства единства. Этот закон не следует понимать слишком упрощенно и ограничиваться коротким интервалом времени. Для любой, в том числе и экологической, системы определенного уровня иерархии длительность прохождения потока энергии, вещества и информации будет специфической. Например, водообмен в особи занимает часы, влаг в атмосфере –8 дней, водообмен свободных поверхностных вод от 16 дней в  реках до 17 лет в озерах, подземные обновляются 8000 лет. Т.е. существует  определенное время транспорта энергии  и обмена вещества во всех  природных системах.

С точки зрения изучения потоков энергии особенно значимы в экологии первый и второй закон (начало) термодинамики.  Закон сохранения энергии или первый принцип термодинамики гласит: любые изменения в  изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной: или при всех макроскопических процесса энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

Второй принцип (начало или закон) термодинамики имеет три важнейшие формулировки для экологии.

Первая энергетические процессы могут идти самопроизвольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную.

То, что согласно второму началу энергия при любых превращениях стремятся перейти в тепло, равномерно распределенное между телами, дало основание говорить о «старении» солнечной системы. Характерна ли эта тенденция к энергетическому выравниванию для всей Вселенной, пока не ясно, хотя в XIX веке широко осуждался вопрос о «тепловой смерти Вселенной».

Вторая формулировка закона:

потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводит к невозможности 100% перехода одного вида энергии в другую; результат – невозможно создать вечный двигатель 2го рода.

В соответствие со вторым законом термодинамики поддержания жизни на Земле без притока солнечной энергии невозможно.

Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни биоценоза постепенно гасится. Р.Линдеманом сформулирован закон пирамиды энергий или правило 10%, согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемым верхним уровнем экологической пирамиды энергии, намного слабее не более 0,5% (даже 0,25%) от общего ее потока, поэтому говорить о круговороте энергии в биоценозах не приходится.

В экосистемах происходит перенос энергии пищи от ее источника – растений через ряд организмов, при каждом очередном переносе большая часть (8090%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Это ограничивает возможное число «звеньев» цепи до четырех – пяти.

Переходя к человеку, можно сказать, что если увеличивается относительное содержание мяса в рационе, то уменьшается число людей, которых можно прокормить.

Часть энергии, идущая на дыхание, т.е. на поддержание структуры, велика в популяциях крупных организмов и в зрелых сообществах.

Эффективность КПД природных систем на много ниже КПД электромоторов и других двигателей. В живых системах много «горючего» уходит на «ремонт», что не учитывается при расчете КПД двигателей. Любое повышение эффективности биологических систем оборачивается увеличением затрат на их поддержание. Экологическая система – это машина, из которой невозможно «выжать» больше, чем она может дать. Всегда наступает предел, после которого выигрыш от роста эффективности сводится к нулю ростом расходов и риском разрушения системы.

Третья формулировка закона:

в замкнутой (изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия (степень упорядоченности) либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы) либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.

В открытых экосистемах, согласно теореме сохранения упорядоченности в них (теорема Пригожина), энтропия не возрастает, а падает до тех пор, пока не достигается постоянная величина, всегда больше нуля . Местами энтропия возрастает, а в других местах резко снижается. В целом же используя потоки энергии, система не теряет упорядоченности. Деятельность живых систем всегда негэнтропийна, пока сохраняется их свойство системности, т.е. отличительной особенностью живых организмов, экосистем и биосферы в целом является способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние низкой энтропии.

По определению Э.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…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. В самом деле, у высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях служит им пищей. После использования животные возвращают эти вещества в очень деградированной форме, однако не вполне деградированной, так как их еще могут употреблять растения. Для растений мощным источником «отрицательной энтропии» является, конечно, солнечный свет».

Существует еще несколько теорем, связанных с проблемами термодинамики.

Теорема (афоризм) Э. Шредингера: упорядоченность организма (особи) выше, чем окружающей его среды, и организм отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает.

dеS – diS = −S  diS ≥ dеS

diS – внешняя энтропия

dеS – внутренняя энтропия

S – выступает как мера упорядоченности

Теорема Э.Шредингера связана с теоремой сохранения упорядочности Пригожина.

Теорема Хаосе: организм «питается» положительной энтропией, т.е. энергетическая ценность пищи выше, чем этот же показатель продуктов диссимиляции. Таким образом, организм существует до тех пор и поскольку, поскольку имеет положительный энергетический баланс.

Теорема Бриллуэна: энтропия отходов больше энтропии пищи:

Sns – Sав= −S  Sав ≥ Sns

       Sав – энтропия продуктов диссимиляции

      Sns – энтропия пищи

Все экосистемы негэнтропийны, упорядочены, таким образом, что они как бы «откачивают из сообщества неупорядоченность».

Это происходит до тех пор, пока действует принцип Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает. Этот закон служит основным регулятором общеземных процессов.

На примере абиотических систем

 N2         +   3H2 =   2NH3

При увеличении давления в системе  обратимая реакция пойдет в сторону образования аммиака и в системе произойдет снижение давления.

В настоящее время отмечается нарушение этого принципа  в рамках биосферы. Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не обнаруживается. Наоборот, биота выбрасывает углекислый газ, а биомасса ее автоматически снижается.

Важное значение для экологических процессов имеет общефизический закон минимума диссипации (рассеивания) энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (минимум роста энтропии).

Тесно связан с другими энергетическими законами закон максимизации энергии и информации: максимальное поступление вещества как такового не гарантирует системам успеха в конкурентной группе других аналогичных систем.

Закон максимизации энергии и информации имеет  и более обобщенную и краткую формулировку в виде закона максимизации мощи: системы с мощной энергетикой, как правило, вытесняют системы с более низкой энергетической «мощью». Этот закон не общесистемный, так как иногда низкоэнергетические системы имеют преимущества в силу меньшего воздействия на среду и лучшего соответствия столь же низкому энергетическому потенциалу. Например, многие примитивные и низкоэнергетические виды в относительно стабильной среде остаются неизменными и конкурентоспособными на протяжении миллионов лет, хотя вокруг имеются казалось бы более энергетически совершенные и более высокоорганизованные виды.

Очень важной закономерностью энергетического ряда является закон или 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 не учитывают в общественных системах. Например,  государственный аппарат работает сам на себя,  развитые отрасли промышленности делают т то же, эта ситуация возникает при системном застое.

  Термодинамическое правило Вант – Гофа – Аррениуса для биолого – экологических систем можно сформулировать следующим образом: подъем температуры на 100 приводит к 2 – 3 – кратному ускорению химических процессов. Фактически обмен веществ в общих случаях, усиливается многократно, а в других повышение температуры его замедляет. Тем не менее, экологический эффект всемирного повышения температуры на 100 довольно трудно предсказуем. Скорее всего, изменение средне глобальной температуры в таком размере катастрофично.

Средне глобальная температура у поверхности Земли равна 150. За последний миллион лет она изменялась в пределах 50 похолодание и 20 потепления. При изменении на 100 т.е. 1,5 раза от современного уровня, скорее всего, будет действие принципа Ле Шателье – Брауна, т.е. Биота сама себя «съест», т.к. процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменения в окружающей биоту среде, а к самодеструкции биосферы.

Закон сохранения термодинамического состояния объясняет внутренние побудительные механизмы возникновения адаптаций и тенденцию к эволюционным переменам, взаимосвязь внутренних процессов с внешними причинами их вызывающими для того, чтобы сохранить целостность систем способствовать к преобразованию, саморегуляции и воспроизводству.

Закон сохранения термодинамического состояния гласит: энтропия и информация обратно пропорциональны, что ведет к дифференциации отдельных функций организма, а следовательно к специализации его частей. Это вызывает эволюционные адаптации, в том числе ведет к развитию систем управления, соотносящих работу отдельно реагентов и стабилизирующих их параметры.