Термодинамика живых систем

Живые системы для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию.

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются первому и второму законам термодинамики. В соответствии с ними энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую (первый закон термодинамики – закон сохранения энергии). При этом часть энергии рассеивается в виде тепла. Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (второй закон термодинамики). В соответствии со вторым законом термодинамики самопроизвольно протекают процессы, в результате которых энтропия системы увеличивается, т.е. DS > 0.

Энтропию можно характеризовать и через степень упорядоченности системы. Все живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности составляющих элементов, т.е. минимальным значением энтропии. Они сохраняют определённый уровень энергии и степень упорядоченности и, следовательно, противостоят увеличению энтропии (DS>0). При заболевании организма, нарушении экологического равновесия в экосистеме степень упорядоченности системы уменьшается, т.е. увеличивается степень беспорядка и, следовательно, энтропия системы возрастает (DS > 0). Мёртвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью системы, т.е. максимальной энтропией, в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой, температура его тела приходит в равновесие с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды.

Опасно любое вмешательство в экосистему, которое приводит к увеличению энтропии и, следовательно, к снижению устойчивости системы и её способности противостоять внешним воздействиям. Основным свойством нормально функционирующих экосистем является способность поглощать солнечную энергию и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность (минимальное значение энтропии). Если деятельность человека приводит к увеличению степени неупорядоченности (беспорядка), то способность экосистемы поддерживать себя в устойчивом состоянии уменьшается вплоть до перехода к полной неупорядоченности (максимальной энтропии), влекущей гибель экосистемы, т.е. экологическую катастрофу.

В соответствии со вторым законом термодинамики (при любом превращении энергии некоторое её количество всегда переходит в менее качественную, менее полезную энергию) растениями используется лишь часть поступающей в экосистему солнечной энергии. При фотосинтезе связывается только энергия с длиной волны 380-710 нм. Она по длине волны близка к видимой части спектра. На эту радиацию приходится 40% общей солнечной энергии. Растения связывают менее 1% солнечной энергии (фотосинтезирующей) в среднем для Земного шара. Остальная энергия рассеивается и переходит в тепловую, которая расходуется на нагревание окружающей среды.

Из поглощённой энергии растения менее 10% расходуют на продукционный процесс (увеличение собственной биомассы). Остальная энергия расходуется при дыхании, осуществлении других функций организма и передаётся гетеротрофным организмам.

При переходе энергии с первого трофического уровня (продуцентов) на второй (фитофагов, детритофагов), третий (хищников первого порядка) и т.д. значительное её количество также рассеивается и снижает своё качество. Поэтому КПД перехода энергии с одного трофического уровня на другой не превышает 7 – 10%. После смерти живого организма, в теле которого энергия зафиксирована в энергии химических связей органических соединений, она будет использована редуцентами и происходит полное её рассеивание. Энергию нельзя использовать многократно, так как при каждом переходе с одного трофического уровня на другой происходит её рассеивание, пока вся энергия не рассеивается в среде экосистемы в виде самой некачественной формы – тепловой.

Нарушение способности саморегуляции за счёт частичных или резких внешних воздействий приводит к увеличению энтропии, вплоть до полного разрушения экосистемы. Так, увеличение загрязнения атмосферы промышленными выбросами затрудняет усвоение солнечной энергии растениями, потому что пылью «забивается» их устьица, через которые происходит питание и газообмен. В результате уменьшается количество пищи, а следовательно, и энергии, поступающей всем другим организмам. В итоге всё большее их количество не может противостоять увеличению энтропии и погибает. При определённых интенсивностях этого процесса вся живая система может погибнуть.

В соответствии с законом внутреннего динамического равновесия вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем и биосферы в целом взаимосвязаны и любое изменение одного из этих показателей вызывает изменение всех других. Причём эти изменения происходят в направлении, обеспечивающем сохранение общей суммы вещественно-энергетических и динамических качеств систем, т.е. её устойчивости. Таким образом, экосистемы сопротивляются воздействиям, нарушающим их стабильность. Чем больше различных видов обитает в экосистеме и чем больше имеется возможности экологического дублирования, чем шире пищевая цепь, тем стабильнее экосистема. Любая система (и экологическая в том числе) развивается за счёт окружающей её среды (материальных, энергетических и информационных возможностей). Абсолютно изолированное развитие невозможно.