Сутнісні начала природи, або чого навчає вчення про Трійцю. 13 страница

де AU - зміна внутрішньої енергії системи.

Чи може система витрачати енергії більше чи менше тієї кількості, яку вона одержує внаслідок процесів метаболізму з зовнішнім середовищем? Ці дві ситуації можуть бути виражені нерівностями:

1)Е <Е,+ Е + Е +£; (7.3)

' с д ж к m^{J v} '

2)Е > Е_й+Е + Е + Е. (7.4)

' с о ж к т ^v '

Подібні ситуації можливі і часто відбуваються в житті на будь-яких рівнях її прояву. Демпфіруючим моментом в обох випадках є зміна внутрішньої енергії системи.

Подробиці ___________________________________________________

Якщо енергії надходить не достатньо, щоб обслуговувати звичний «спосіб життя» (тобто підтримувати звичний рівень гомеостазу), система змушена витрачати лриласену раніше енергію. Звичайно запас енергії складається з двох частин. Одна становить резервні запаси. У тварин вони зберігаються у висококалорійних речовинах, (наприклад, жирі); родина чи підприємство збе­рігають їх у банку (причому пострадянська родина частіше «у банці»). Іншою частиною джерел запасів може бути енергія внутрішніх зв'язків окремих елементів структури, що формують систему. Саме вона йде в хід для задо­волення енергетичних потреб систем після того, як виснажуються інші дже­рела. Фактично це знаменує початок процесу саморуйнування системи. Тва­рина починає худнути і втрачати свої функції; родина - продавати ще недав­но такі потрібні предмети побуту; фірми змушені «звільнятися» від частини устаткування. Зрештою, система постає перед вибором: чи загинути (припи­нити функціонування), чи перебудувати рівень свого гомеостазу так, щоб потреби системи знову стали відповідати можливостям, тобто витрата енергії почала дорівнювати надходженню вільної енергії в систему.

При позитивному балансі (надходження енергії більше її витрачання) про­цеси йдуть у зворотному порядку. Система одержує можливість реконст­руювати свою структуру і поповнити резервні запаси. Відповідно виникають передумови і для прогресивної зміни рівня гомеостазу.

Для перебудови системи (трансформації гомеостазу) вклю­чається механізм позитивного зворотного зв'язку. Його реаліза­ція здійснюється за рахунок трансформаційної складової Е.

171

Зміна кількості внутрішньої енергії в системі (АС7) є своєрід­ним індикатором енергетичного стану системи і характеризує передумови зміни рівня її гомеостазу. При цьому можна виді­лити три принципові ситуації:

1. ДС/ = 0: система функціонує в стабільному режимі, при яко­му надходження вільної енергії в систему цілком витрача­ється на підтримання порядку в системі (зниження ентропії).

2. АС/ > 0 (зміна внутрішньої енергії має позитивне значення): у системі починає накопичуватися надлишок вільної енергії; він може бути реалізований лише при трансформації рівня гомеостазу в напрямку його підвищення (прогресивна транс­формація системи).

3. АС/ < 0 (від'ємне значення): система починає використовувати внутрішні резерви (тобто функціонувати за рахунок саморуй­нування); виправити подібну ситуацію система може, лише зни­зивши рівень гомеостазу; при цьому знизяться й енергетичні потреби системи (регресивна трансформація систзми).

Примітка

Слід підкреслити, що додаткових витрат енергії потребує не тільки прогреси­вна перебудова системи (зростання організму, розвиток фірми, країни), але й регресивна трансформація (старіння організму, зменшення потужності фірми, ослаблення держави). Оскільки загальна кількість вільної енергії, яка надходить у систему, знижується, необхідна для адекватної трансформації системи енергія (Е) може бути мобілізована тільки за рахунок реструктури­зації видаткових складових енергобалансу системи. Звичайно більше всього «дістається» компенсаційній складовій (£). Як наслідок цього, у подібні пе­реломні періоди стійкість системи значно знижується. Біологічні організми більше, ніж звичайно, хворіють (у цьому відношенні характерним є клімак-совий період), фірму «лихоманить», у країні слабшає діяльність силових стру­ктур, починаються заворушення. Відповідно зменшуються й Інші складові: життєзабезпечувальна (Е_ж) — через зменшення рівня гомеостазу; дисипати­вна (Е) — через зниження природних втрат енергії, що корелюють з рівнем активності системи.

Якщо ж енергії в системі не вистачає на реалізацію механізму позитив­ного зворотного зв'язку, чи необхідний новий рівень гомеостазу виходить за критичні потенційні можливості самої системи, її може очікувати летальний результат: організм умирає, фірма руйнується, у країні відбувається рево­люція і колишня держава перестає існувати.

У тому випадку, якщо енергії трансформаційної складової вистачає на, досягнення нового рівня гомеостазу, система знову приходить у динамічну рівновагу. Припиняє дію механізм позитивного зворотного зв'язку (Е прагне

до 0), і повною мірою починає діяти механізм негативного зворотного зв'я­зку (Е прагне до норми). Хвороби відступають, справи на фірмі налагоджу­ються, вона знаходить нових споживачів і постачальників. Життя в державі стабілізується: хоча доходи на душу населення в країні можуть бути нижчи­ми, ніж до перебудовного рівня, виникає відчуття, що «життя налагоджуєть­ся» і народжуються надії...

Можна вважати, що зазначені умови балансу є загальними для будь-яких видів структур, які відповідають вимогам від­критих стаціонарних систем. До них належать:

• структури неживої природи з колективним видом поведінки;

• живі організми;

• екосистеми;

• колективні об'єднання тварин (рій, зграя, родина, ін.);

• економічні суб'єкти: підприємства й асоціації;

• системи, сформовані економічними суб'єктами (ринки);

• самокеровані соціально-економічні системи регіонів і країн;

• глобальна соціально-економічна система.

Відповідно, у всіх цих системах діють подібні механізми негативного і позитивного зворотного зв'язку. Проаналізуємо тепер зміст складових рівняння енергетичного балансу системи (формула 7.1).

Перша складова - обсяг виробленої вільної енергії (Е_с), відби­ває своєрідну потужність системи. Для різних видів структур приблизне уявлення про цей життєво важливий показник пев­ною мірою дають оцінки, що характеризують їх продуктивність. Для живих організмів це кількість генерованої життєвої енергії; для екосистеми - її несуча здатність {earring capacity) або зага­льна кількість енергії, що надходить до трофічного (харчового) ланцюга; для фірми - дохід, чи виторг, підприємства; для наці­ональної економіки країни - валовий внутрішній продукт (ВВП).

У правій частині рівняння 7.1 знаходяться видаткові скла­дові енергетичного балансу. Щоб з'ясувати їх зміст, спробуємо розглянути можливу динаміку складових на прикладах декіль­кох видів систем.

173

7.3. Енергетика організму і екосистеми

Для живих організмів параметри енергетичного балансу (див. формулу 7.1), а відповідно, і рівень метаболізму і гомеостазу, визначаються кількістю енергії, необхідної для підтримання основних життєзабезпечувальних функцій організму (Е_ж) і його органів.

Дисипативна складова (Е_д) - це та частина енергії, яку ор­ганізм безповоротньо розсіює (втрачає) у навколишнє середови­ще. Природно, за несприятливих умов середовища (особливо, якщо температура середовища значно нижча температури тіла) безповоротна віддача енергії посилюється. Однак ця складова пов'язана не тільки з умовами зовнішнього середовища, але корелює також з активністю організму. Чим вища активність (Е), тим більші втрати енергії (ЕЛ.

Компенсаційна складова (Е_к) - це витрати енергії на підтри­мання гомеостазу (збільшення потовиділення, зміна забарвлен­ня, підвищення мобільності, вживання застережних заходів, ін.). Ця складова, що забезпечує механізм негативного зворотного зв'язку, залежить також від умов зовнішнього середовища (чим жорсткіші умови, тим більші витрати енергії) і від активності організму (чим вища активність, тим більше енергії доводиться витрачати на підтримання різних видів рівноваги: механічного, теплового, хімічного, ін. Не випадково деякі тварини (напри­клад, бурий ведмідь) на суворість умов зовнішнього середовища реагують вжиттям необхідних превентивних заходів. Для того щоб вижити в зимовий сезон, коли зменшується кормова база і знижуються можливості надходження вільної енергії в організм, вони впадають у стан анабіозу (зимової сплячки), попередньо максимально ізолювавши в барлогу своє тіло від зайвих втрат тепла (зниження Е_д). При цьому до мінімуму скорочуються ви­трати енергії за компенсаційною складовою (Е.), відсутні і будь-

ft

які трансформаційні перебудови (£_т= 0). Жирових запасів енергії вистачає лише на підтримання життєзабезпечувальних функ­цій (Е) і мінімальних втрат енергії (ЕЛ, які вдається скороти-ти, але не можна уникнути цілком.

Деяким співтовариствам тварин (мурахи, терміти) вдається змоделювати деякі елементи стану анабіозу, причому перманен­тного (постійного), але на суспільному рівні. Максимально ізо­лювавши від змін зовнішнього середовища свої житла, вони під-

174

тримують у мурашниках і термітниках постійні умови життя, знизивши втрати енергії (Е_д) і звівши до мінімуму компенсацій­ну складову (Е). Таким співтовариствам удається сотні тисяч років, якщо не мільйони, підтримувати стійкий стаціонарний стан системи, коли механізм позитивного зворотного зв'язку практично не задіюється і трансформаційна енергія (Е_т) не ви­користовується.

Кількість вільної енергії, яка надходить до організму, зале­жить від швидкості й ефективності обмінних процесів (метабо­лізму). У юному віці, коли вони високі, в організм надходить значна кількість вільної енергії, створюються передумови по­стійної мобілізації механізмів позитивного зворотного зв'язку завдяки надлишку енергії (J5_m). У результаті цей організм росте і розвивається, постійно підвищуючи «планку» гомеостазу. В міру старіння швидкість обмінних процесів знижується, і орга­нізм змушений вести перебудову у зворотному напрямку.

Багато змін в екосистемах порівнянні з процесами, що від­буваються в живих організмах. Не випадково до екосистем зна­чною мірою застосовується схожа термінологія: розвиток, ріст, клімакс, деградація, згасання. Однак динаміка екосистем має і свої характерні риси, дуже показові для з'ясування багатьох процесів, що відбуваються на рівні співтовариств, включаючи соціальну організацію людей.

Приплив вільної енергії до екосистеми (Е_с) визначається ді­яльністю продуцентів. Консументи в змозі тільки перерозподі­ляти енергію. Уявлення про рівень гомеостазу якоюсь мірою можуть давати екологічні піраміди: піраміди чисел (тобто спів­відношення кількості окремих біологічних особин у трофічно­му ланцюзі), піраміди біомаси, піраміди енергій. Сумарний об­сяг енергії, що споживається всіма біологічними видами в тро­фічному ланцюзі, складає ту частку, що може витрачатися за трьома складовими енергетичного балансу: життєзабезпечува-льна (Е), компенсаційна (Е) і трансформаційна (Е). Ці три складові утворюють своєрідний «бюджет» екосистеми, у межах якого вона може здійснювати свої функції і розвиватися.

Цифри і факти ________________________________________________

У міру проходження їжі по трофічних ланцюгах втрачається значна кількість енергії. Майже 80—90% її розсіюється у вигляді тепла (втрати при діяльності організмів, гнитті померлих тварин і відмерлих рослин). Отже, зберігається

175

тільки 10—20% енергії. Таким чином, довжина трофічних (харчових) ланцюгів лімітується кількістю енергії, що зберігається. Тому вона рідко перевищує 6—7 компонентів, складаючи в середньому 3-4 ланки. Зокрема, у ланцюзі «конюшина — коник - жаба - вуж - сокіл» хижому птаху дістається тільки 0,0004% енергії сонячного світла, що потрапляє на луг (Крисаченко, 1998). Це, безумовно, дуже спрощена схема екосистеми. Для повної картини в ній не вистачає великої кількості маленьких біологічних видів (тлі, гусениць, божих корівок, мушок, нарешті, бактерій І грибів), які звичайно щедро лред-ставлені в будь-якій екосистемі і, у кінцевому рахунку, ЇЇ замикають.

Життє забезпечу вальна і компенсаційна енергетичні скла­дові на рівні екосистеми складаються з відповідних компонен­тів окремих біологічних організмів, що живуть в екосистемі. Вони і визначають гомеостаз системи. Приріст вільної енергії в системі означає збільшення кормової бази на кожному з рівнів екологічної піраміди. Це - передумова прогресивного розвитку системи й енергетична база позитивного зворотного зв'язку, що веде до появи нових біологічних видів і зв'язків у системі.

Звідки ж може взятися додаткова енергія в системі? Вона може утворитися завдяки підвищенню ефективності існування окремих видів і їхньої взаємної кооперації. Резервом для цього є дві енергетичні складові: енергії, що безповоротно втрачають­ся (Е_д), і компенсаційні компоненти (Е_к).

Використавши частину необоротних утрат, можна поверну­ти в систему певну кількість енергії. Саме цю роль виконують біологічні види (шакали, гієни, грифи, ворони та ін.), що спо­живають залишки тварин, які ще не розклалися. Використан­ня фекалій своїх сусідів по екологічній ніші є ще однією фор­мою зменшення втрат енергії в харчовому ланцюзі. Як тут не замислитися про ту роль, що відіграють в економіці підприємс­тва і сектори з переробки відходів!

Ііифри і факти

У різних видів тварин неоднакова ефективність травлення. У копитних, напри­клад, засвоюється тільки 40—70% кормової маси, дрібні гризуни засвоюють їжу на 90-95%, а в нутрії цей показник досягає 99%. Ефективність викорис­тання їжі в деяких біологічних видів підвищується повторним використанням кормів. Це явище називається копрофагією. Проявляється копрофагія в по­їданні тваринами фекалій. На такому поїданні екскрементів спеціалізується досить велика група комах (деякі види мух, жуки-навозники та ін.). У про­цесі еволюції ряд травоїдних ссавців (зайці і деякі гризуни) виробили здат­ність поїдати свої власні фекали. Така автокопрофагія забезпечує повторне

176

пропущення їжі через травну систему, що підвищує ефективність засвоєння їжі. Зокрема, у кроликів, яким властива автокопрофагія, первинні фекали містять більше 28% біпків. Після повторної фази засвоєння кормів екскреме­нти містять уже тільки близько 9% біпків (Злобін, 1998).

До речі, подібний принцип поступового засвоєння корисних речовин ви­користовується в багатьох хімічних технологіях і металургії. В енергетиці і будівництві широко використовуються вторинні енергоресурси.

Не завжди помітний, але вагомий внесок у скорочення енер­гетичного компонента, що втрачається, в екосистемах дає ко­операція типу «хижак - жертва». І не тільки завдяки реалізо­ваному таким чином механізму природного добору. Справа в тім, що хижаки, виконуючи санітарні функції, запобігають мо­жливим хворобам та епідеміям серед тварин і пов'язаним із цим масовим випадкам загибелі популяцій. Крім того, хижаки, ре­гулюючи популяцію жертв, здійснюють механізм негативного зворотного зв'язку в екосистемах за «м'яким» варіантом. Це побічно підвищує ефективність системи. Адже альтернативою цьому може бути жорсткий варіант механізму негативного зво­ротного зв'язку, коли популяція гине через брак кормів.

Значне збільшення життєзабезпечувальної енергії (Е_ж) в еко­системах може дати економія на механізмах негативного зворо­тного зв'язку (компенсаційна складова - EJ. Реалізуючи цю функцію, рослини і тварини виконують великий обсяг роботи. Тварини змушені постійно мігрувати в пошуках сприятливих харчових ресурсів, витрачати дорогоцінну енергію на захист від ворогів, ін. Екологічна кооперація дозволяє знаходити взаємо­вигідні форми об'єднання різних біологічних видів у їхніх зу­силлях з підтримання гомеостазу організмів.

Подробиці ___________________________________________________

Однією з найбільш сприятливих форм кооперації біологічних видів, що забез­печує економію енергії на пристосуванні до умов навколишнього середовища, є симбіоз, тобто об'єднання видів. У результаті симбіозу один із партнерів чи обидва разом здобувають можливість виграти в боротьбі за існування.

Щось подібне відбувається в економіці, коли більш дрібні підприємства, полегшуючи собі життя, годуються навколо ве­ликих фірм. Ця кооперація найчастіше вигідна і для останніх, які при цьому заощаджують свої зусилля на виконанні дрібної (а часто і «брудної») роботи.

177

У боротьбі за підтримання власного гомеостазу біологічні види удосконалюють свою індивідуальну майстерність, знахо­дячи більш ефективні способи «інвестування» компенсаційної енергії. Загальним принципом є прагнення домогтися сумарної економії енергії в системі шляхом «вкладання енергетичних засобів» у компенсаційну компоненту.

Аргументи вчених