Современное состояние биосферы и экологическая политика

Таким образом, если бы биосистемы не обменивались энергией и веществом с окружающей средой, то они бы неуклонно приближались к термодинамическому равновесию. Это не происходит, т. к. данный вид энергии постоянно восполняется за счет поступления из внешней среды (питательные вещества). Энтропия выводится из них путем удаления конечных продуктов обмена и теплоты. В биосистемах постоянно продуцируется положительная энтропия, а из окружающей среды в них поступает отрицательная (негэнтропия) энтропия. Анализируя (8), можно прийти к интересным закономерностям. Если изменение внутренней энтропии (d5) равно изменению отрицательной (-ds), то общее ее изменение в биосистеме равно нулю. При иных соотношениях она может увеличиваться или даже уменьшаться. Это в микроинтервалах времени, но с возрастом энтропия все же возрастает, что находится в полном соответствии со вторым началом. Естественно, что своим неразумным отношением к себе (потребление наркотиков, алкоголя, переедание и многое другое) человек способен ускорить рост внутренней энтропии, переводя систему в деградирующее состояние – гибель организма. В соответствии с закономерностью (8) можно записать критерий стационарного состояния биосистемы. Он имеет вид:

dS / dt = – ds / dt. (9)

Формула (9) понимается следующим образом: если изменение во времени внутренней энтропии равно изменению негэнтропии, то параметры системы остаются постоянными. Следовательно, такое состояние живых систем следует понимать как стационарное. Подведем итоги наших рассуждений.

1. Биосистемы представляют собой открытые термодинамические системы, которые на протяжении длительного времени могут находиться в стационарном состоянии. Свойство поддерживать параметры в неизменном состоянии называется гомеостазом. А это возможно при наличии в биосистемах механизмов управления: положительных и отрицательных обратных связей, присущих кибернетическим устройствам. Изучение свойств открытых систем позволило сформулировать основное свойство стационарного состояния (теорема Пригожина): в стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленного протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений. Так как энтропия является мерой рассеивания свободной энергии, то в стационарном состоянии ее значение минимально.

2. Биосистемы стремятся работать в наиболее выгодных энергетических режимах. Если же она выведена из равновесного состояния, то в самой биосистеме начинают работать процессы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное состояние, а эффект внешнего воздействия ослабляется (принцип Ле Шателье).

3. Таким образом, в процессе эволюции живых систем, включая организмы, экосистемы и биосферу в целом, ими была выработана важнейшая термодинамическая особенность – это способность их создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии (света, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую).

4. Упорядоченность экосистемы, т. е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно откачивает из сообщества неупорядоченность.

6.3. Второй закон термодинамики и правило десяти процентов

Принято считать, что отношение произведенной работы к изменению свободной энергии (dF), израсходованной на эту работу, называется коэффициентом полезного действия (КПД)

КПД = A/dF 1. (10)

Действительно, при совершении работы в живых организмах (биохимические и биофизические процессы, сокращение мышц и т. д.) часть свободной энергии рассеивается в тепло, а следовательно их КПД меньше единицы.

Ответим с позиций второго закона термодинамики на вопрос: а почему в экосистемах невозможно большое количество трофических уровней, какова величина их КПД? Для этого рассмотрим поток энергии, проходящий через различные трофические уровни пищевой цепи.