Одум - Экология - т.1 (947506), страница 23
Текст из файла (страница 23)
состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергия (например, энергпи света или пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Упорядоченность экосистемы, т.
е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно «откачпвает пз сообщества неупорядоченностьз. Таким образом, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравнозесяые термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри сеоя, но увеличивая энтропию вовне в согласия с законами термодинамики. Объяснения Фундаментальные концепции физики, сформулированные в предыдущем параграфе, — это важнейшие из законов природы, имеющие универсальное значение. Насколько нам известно, из этих физических законов нет исключений и никакие технпческие изобретения не могут их нарушить.
Любая искусственная пли естественная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. На рпс. 3.1 на примере превращения путем фотосинтеза энергии Солнца в энергию пищи, происходящего в дубовом листе, иллюстрируется действие двух законов термодинамики. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энерпш, хотя энергия при этом не создается п не уничтожается (первьш закон термодинамики). Энергия, получаемая в энде света поверхпосэыо Земли, уравновешивается энергией, излучаемой с поверхности Земли в форме невидимого теплового излучения, Сущность жизни состоит в непрерывной последовательностк таких изменений, как рост, самовоспроизведенне и синтез сложных хптшческих соединений.
Без переноса энергии, сопровождающего все этп изменения, не было бы ни жизни, ни экологических систем, Наша цивилизапня — лишь одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного притока концентрированной энергии. Если бы, потеряв способность добывать и хранить достаточное количество высококачественной энергии, человеческое общество стало закрытой системой, оно в соответствии со вторым законом термодинамики вскоре утратило бы упорядоченность. Экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими спстемамп и способы превращения энергии внутри 106 Глава 3 и пэсг гэ" Э г ~в сэгэгА о жс рп весло (ээ э э Рнс.
ЗЛ. Действие двух законов термодинамики з случае превращения эязргнн Солнца в энергию пнщп (сахара) путем фотосинтеза, А=яч-В (персий заков); В всегда меньше А, так как нрн трансформации энергия часть сс рассспвастся (второй закон). щнпсиы. Таьпп образом, отпошегп1я между растенпямп — продулептахш и животными — консументамп, между хшцником п жертзоп, не говоря уже о численности п видовом составе организмов з каждом местообитании, лимитпруются п управляются потоком энергии, превращающейся пз ее концентрированных форм в рассеянные.
Особое внимание экологов прпвлекагот вопросы преобразования энергии горючего, атомной эиергпн и других форм концентрированной энергии в индустриализованном обществе. Такпм образом, все типы экосистем регулируются теми же основными .акопепп, которые управляют п неживыхш системами, скажем электромоторами и автомобплямп. Различие заключается в том, ~то живые системы, пспользуя часть гихгетощейся внутри них доступной энергии, способны самовосстанавливаться п «откачивать» неупорядоченность, а машины приходится чинить и заменять, ьспользуя при этом внешнюю энерппо.
Восхищаясь машинами, пы забываем, что уменьшение знтроипп в результате пспольэования магнии требует затраты значительных энергетических ресурсов. Энергия в экологических системах Когда свет поглощается каким-либо предметом, который прп этом нагревается, световая энергия превращается в другую форму энергии — тепловую, т. е. в энерги1о колебательных и поступа тельных движений молекул, пз которых состоит предмет. В результате неравномерного поглощения солнечных лучей сушей и водой возникают теплые и холодные области, это служит причиной образования воздушных потоков, которые могут вращать ветряные двигатели и выполнять другую работу, скажем поднимать воду насосом против действия силы тяжести (например, пз колодка).
Итак, в этом случае энергия света превращается в тепловую энергию земной поверхности, а ватем в кинетическую энергию движущегося воздуха, которая выполняет работу по подьему воду. При поднятии воды энергия не исчезает, а презр ь щается в потенциа«аную, поскольку энергию, скрытую в поднят~ й воде, можно снова превратить в какую-либо другую форму эн рпш, если дать воде опять упасть в колодец. Энергия, необходим.
я для создания потока кинетической энергии, называется затрачг,- ной элер«пей. В нашем примере затраченная энергия ветра равна той солнечной энергии, которая этот ветер породила. Как сказано в предыдущих главах, пища, созданная в результате фотосинтетической активности зеленых растений, содержит потенциальную энергию, которая при потреблении пищи организмами превращается в другие формы энергии. Количество энергии в какой-либо форме всегда пропорционально количеству той фермыы энерпш, в которую она переходит; поэтому, зная одну величину, поясно рассчитать другую. «Потребленная» энергия на самом деле не расходуется.
Она только переводится пз состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования, Бензин в баке автомобиля действительно расходуется, но энергия, содержащаяся в нем, не исчезает, а превра«дается в формы, уже непригодные для всполз»о вания в автомоопле. Согласно второму закону термодпназшки, любой вид энер«пи в конечном счете переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающугося.
Что касает«я Солнечной системы, то состоянием полного рассеяния энергии здесь было бы такое состояние, при котором она равномерно распределена в форме тепловой энергии. Этот процесс рассеяния чаото называют «старением» Солнечной системы. Характерна ли эта тенденция к энергетическому выравниванию для всей Вселенной, пока неясно.
Сейчас Земля далека от состояния энергетического равнов.- спя; она имеет большой запас потенциальной энергии, и температура ее разных областей различна, а различия этп поддерживаются постоянным притоком лучистой энергии Солнца. Однако все известные нам на Земле природные явления, связанные с 108 Глава 3 непрерывными превращениями энергии, представляют собой части общего процесса, ведуи)его к устойчивому энергетическому равновесию. Это можно сравнить с усилиямп человека, вертящего «тупальное колесо: «поднимаясь» по ступеням колеса, он никогЗа не достигает его «вершины», но его старания приводят к согершепно определенным результатам: колесо вертится.
Итак, по- ~ нз па Землю, лучистая энергия Солнца стремится превратиться з тепловую. Лишь очень небольшая часть световой энергии, поглощенной зелеными растениями, превращается в потенпнальную «яерппо ппщп, бблыпая же ое часть превращается в тепло, покилш щее затем и растение, и экосистему, и биосферу (рис.
3.1). Весь остальной живой мпр получает необходимую потенциальзук химическую энергию из органических веществ, созданных фотоспнтезпрующимп растеннямп илп хемоспнтезирующими микроорганизмами. Животные, яапрнмер, поглощают химическую погенппальную энерппо пиши и ббльшую ео часть перевозят э «епло, а меныпую вновь переводят в химическую потенцпальну»~ »пергпю заново спктезируемой протоплазмы. На каждом этапе передачи энергии от одного организма к другому знач»«тельная часть ее рассеивается в виде тепла. Но не вся энтропия отрипательна.
При попил'енин количества доступной энергии качество оставшейся энергии может значительно повыситься (см. равд, 5 настоящей главы). Ыногие теорет«лкн, например Бриллюэн (Вг)11оп1п, 1949), давно были обеспокоены тем фактом, что сохранение функциональной упорядоченности живых существ как бы опровергает второй закон термодинамики. Илья Пригожин (Рг)цо91пе, 1962), получивший Нобелевскую премию за работы по неравновесной термодинамике, разрешил это кажущееся противоречие, показав, что способность к сал«оорганизации и созданию новых структур может встречаться и встречается в системах, далеких от равновесия и обладающпх хорошо развитыми «диссипативными структур»ил», откачивающпмп неупорядоченность (%«о11», Р«1лофпе, 1977).
Дь«ганне высоьоупорядочеппой биомассы можно рассматривать как дпссппатнвную структуру экосистемы. Хотя энтропия в узком смысле этого слова связана с энергией, этот термин используется и в более широком смысле для обозначения деградации различных материалов. Так. недавно выплавленная сталь — это нпэкоэнтропийное состояние железа, а ржа вшошпй кузов автомобиля — высокоэнтроппйное. Соответственно для «вьтсоьоэнтроппйного» человеческого общества характерна деградация энергии, ржавеющая техника, лона«пцпеся водопроводные труоы и разрушаемая эрозией почва. (й не напоминает лп ваш город эту картпнг?) Постоянные восстановительные работы — неизбежная плата за цивилизацию с высоким расходом энерпш. Энергвв в»змогачесввх сиса«пах Г.
Одум (Н, О»(пш, 1967), основываясь на концепциях » А. Лотки ().о1!«а, 1925) п Э. Шредингера (Яс(тгой!пйег, 1945), следующим образом связывает принципы термодинамики с экологией. В любой сложной системе реально сутествующего мира первостепенную важность имеет поддержание процессов, идущих против температурного градиента. Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при те»шературе выше абсолютного нуля, когда существует тепловое движение атомов н молекул, необходима постоянная работа по откачиванию «неупорядоченности».
В »кося«тепе отпошеяпе общего дыхания сообщества к его ! суммарноп бпо»шссе (Л,'В) неясно рассматривать как отно~ленпе затрат энергии на поддеря ание н нзнедеятельности к звсргпп, заключенной в структуре, нли как меру термодпнампческой упорядоченности. Это «соотношение Шредингера» служит мерой экологичесного оборота (это понятие введено в гл. 2, с. 74). Коли выразить Б и Б в калориях (единицах энергии) и разделить их на абсолютную температуру, то отнопгеш»е г»/В становится отношением прироста энтроппп (и соответствующей работы), связанного с поддержанием структуры, к энтропии упорядоченной части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
