Жизнь как термодинамический процесс

Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики. Согласно первому закону, называемому законом сохранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной.

Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.

Согласно второму закону термодинамики, называемому законом энтропии, процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). И действительно, теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает). В природе масса примеров однонаправленных процессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска.

Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия (от греч. еп — в, внутрь, trope — поворот, превращение). В термодинамике энтропия определяется количеством теплоты, необходимой для изменения температуры от абсолютного нуля (максимальная упорядоченность) до наблюдаемой температуры, определяемой по шкале Кельвина.

В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (ΔS) или равно нулю (при обратимых процессах), или больше нуля (при необратимых процессах). Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности); таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Второй закон термодинамики можно сформулировать иначе: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100 %.

Согласно третьему закону термодинамики при стремлении абсолютной температуры простых кристаллических тел к нулю абсолютное значение их энтропии также стремится к нулю.

Энергия характеризуется не только ее количеством, но и качеством. Чем более «концентрирован» энергетический поток, тем выше его качество — способность превращаться в другую форму энергии (или соотношение части энергии, способной сконцентрироваться, и рассеиваемой части энергии).

В пищевую цепь и цепь получения электроэнергии (рис. 8.6) включен этап фоссилизации (от лат. fossilis — ископаемый), то есть процесс превращения останков вымерших животных и растений в окаменелости путем замещения органических веществ минеральными. При этом количество энергии всегда уменьшается, а ее качество увеличивается.

Рис. 8.6. Схема повышения качества и снижения количества энергии, идущей от Солнца, при ее преобразовании в пищевой цепи (а) и цепи получения электроэнергии (б) (по Г. Одулу, Э. Одуму, Ю. Одуму).

Цифры — любые относительные единицы с низкой энтропией

Важнейшая особенность живых организмов, экосистем и биосферы в целом — это способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией.

Экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, которые постоянно обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее вовне в соответствии с законами термодинамики.

Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии без ее возникновения или исчезновения. Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений.

Экология, по сути, изучает способы превращения энергии внутри экосистем.

По современной точке зрения внутри Солнца происходят термоядерные реакции (аналогичные реакции протекают при взрыве водородной бомбы). Энергия этих реакций переходит в энергию света, т. е. энергию квантов излучения, испускаемого Солнцем.

Из Космоса на Землю поступает солнечный свет с энергией (пять) 5 МДж-м^-2-ч^-1 (1360 Вт • м^-2, или 2 кал • см^-2 • мин^-1 — солнечная постоянная), создавая освещенность 140 000 лк. Однако при прохождении через атмосферу он становится слабее.

Зеленые растения преобразуют энергию фотонов солнечного света в энергию химических связей сложных органических соединений, которые продолжают свой путь по разветвленным пищевым сетям природных экосистем. Однако в некоторых местах (например, на болотах, в устьях рек и морях) часть органических растительных веществ, попав на дно, покрывается песком раньше, чем станет пищей для животных или микроорганизмов. При наличии определенной температуры и давления грунтовых пород в течение тысяч и миллионов лет из органических веществ образуются уголь, нефть и прочее ископаемое топливо или, по выражению В.И. Вернадского, «живое вещество уходит в геологию».

В XIX и особенно в XX вв. эти запасы разрабатывали и использовали для удовлетворения потребностей человека так интенсивно, что близко и удобно расположенные залежи стали исчерпываться, а поиски новых месторождений завели далеко в море, в отдаленные районы Сибири и Крайнего Севера.

Таким образом, жизнь представляет собой процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче ее по пищевым цепям. Человеческая цивилизация — это лишь одно из замечательных явлений природы, всецело зависящее от постоянного притока концентрированной энергии.