Жизнь как термодинамический процесс

Законы термодинамики и биосфера

Все происходящие в экосистемах и биосфере процессы подчиняются законам термодинамики. Согласно первому из них (закон сохранения энергии), суммарная энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую. Например, энергия света может быть превращена в работу, теплоту или энергию химических связей.

Согласно второму закону термодинамики, (закон энтропии), превращение энергии происходит само по себе самопроизвольно только в направлении перехода из концентрированной формы в рассеянную (деградация). Значительное количество природных процессов однонаправленны.

Для изменения количества связанной энергии, становящейся недоступной для использования, было введено понятие энтропии, т.е. количества теплоты, необходимого для изменения температуры от абсолютного нуля (максимальная упорядоченность) до реальной температуры изучаемого объекта, которая определяется по шкале Кельвина.

Любая система при отсутствии внешнего воздействия, стремятся к достижению максимальной энтропии (степени неупорядоченности); поскольку самопроизвольные процессы всегда направлены в сторону усиления беспорядка.

Важным для организации биологических систем следствием второго закона термодинамики служит факт рассеяния некоторой части энергии в виде недоступных для использования тепловых потерь. Поэтому эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100 %. У растений эффективность фотосинтеза составляет обычно менее 1% (для естественных экосистем). Для последующих звеньев трофической цепи также характерны высокие потери энергии.

По третьему закону термодинамики, энергию можно охарактеризовать не только количественно, но и качественно. Более концентрированный поток энергии и более качественный – он более способен к превращению в другую форму энергии.

В биосфере существует процесс фоссилизации, при котором останки погибших организмов со временем преобразуются в окаменелости, при этом происходит замещение органических веществ на минеральные, уменьшение количества энергии повышение ее качества.

Особенности энергетики биосферы

Важнейшей термодинамической особенностью живых систем служит их способность создавать и поддерживать в своей структуре высокую внутреннюю упорядоченность, т. е. низкий уровень энтропии. Это возможно за счет открытости живых систем, которые находятся в состоянии постоянного обмена с окружающей средой энергией и веществом, и при уменьшении собственной энтропии увеличивают ее во внешней среде. Все жизненные процессы происходят за счет превращений энергии.

Поэтому можно сказать, что предметом экологии является изучение способов превращения энергии внутри надвидовых биосистем. В биосфере за счет поступления солнечной энергии фото- и хемосинтетиками создается органическое вещество, примерно половина которого идет на дыхание или энергетические затраты самих организмов, а оставшаяся часть превращается в биомассу или чистую продукцию. Из этого вещества, примерно 90% идет в опад (детрит) и лишь 10% потребляется хлорофитофагами и другими консументами первого порядка.

На следующих трофических уровнях наблюдается примерно такое же соотношение ассимиляции и потер энергии. При прямой сукцессии часть чистой продукции фотосинтетиков идет на прирост собственной биомассы. Чистая первичная продукция всей суши составляет 110-120 млрд. т сухого вещества, а моря 50-60 млрд. т. Первичная валовая продукция в два раза больше.