Основной процесс в экосистеме

О термодинамике динамических систем

Любая живая система потребляет энергию и расходует ее в виде работы и теплоты. Этот факт послужил становлению термодинамики как науки и позволил приписать организму свойства тепловой машины, подчиняющееся началам термодинамики. Первое из них представляет собой закон сохранения энергии. Приложимость его к живым системам надежно доказана, но не выявляет никакого отличия их от неживых систем. Второе начло, называемое законом энтропии, указывает, в каком направлении должны протекать естественные самопроизвольные процессы. Согласно этому закону в изолированных системах энтропия - мера необратимости превращение энергии и одновременно мера структурной упорядоченности - не может уменьшаться, она либо возрастает, либо, в крайнем случае, не изменяется. Однако при некоторых биологических процессах, например, при самосборке субклеточных структур или при эмбриональном развитии организма структурная упорядоченность возрастает. Следовательно, неупорядоченность, энтротопия уменьшается. Но организм - отрытая система. Противоречие закону энтротопии исчезает, если рассматривать в качестве единой системы организм вместе с окружающей средой. В данном случае физика должна принять экологическую модель.

Все реальные системы являются открытыми, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии. Сущность жизни и состоит в непрерывной последовательности, таких изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти изменения, не было бы ни жизни, ни экологической системы.

Большая часть энергии при каждом переходе теряется, переходя в тепло. Каждый вид в природе имеет свою экологическую нишу, определяющую не только его положение в пространстве, но не выполняемые функции.

В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный химический процесс, составляющий основу биотического круговорота. Из атмосферного углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза в растениях образуется органическое вещество и выделяется кислород, а в обратной реакции - окислении и распаде органических веществ - потребляется кислород и вновь образуется углекислый газ и вода.

Здесь ∆G₁ - энергия солнечного света, потребленная в процессе фотосинтеза; ∆Hе - энергия окисления органических веществ (дыхания), в конечном счете выделение в виде теплоты. (СН₂О)_n - синтезируемое и распадающееся органическое вещество представлено в реакции углевода. Это может быть глюкоза (n = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза (n > 1800), но в реальном процессе - множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Их окисление дает энергию для различных физиологических и биохимических процессов. Количество поглощенной и выделенной энергии в описываемой реакции равна: ∆G_i = ∆H_e ~ 478 кДж/моль. Общий множитель n определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме. Прямая реакция полностью, а обратная на 80 - 90 % обеспечиваются растениями. Остальное количество органического вещества потребляется гетеротрофными организмами - животными, грибами, бактериями - и расходуется в процессе их дыхания.

Данное уравнение описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутый по веществу, для биосферы в целом. В реальных локальных экосистемах равенство прямой и обратной реакции, как правило, нарушено из - за обмена участниками реакции (переноса воды, газов и органики) с другими системами. В экосистемах больших глубин, пещер, под землей, где нет света и не может осуществляться фотосинтез, органическое вещество поставляется либо местными хемоавтотрофами, либо поступает из других систем.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии одноправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым началом термодинамики на каждом этапе переноса и трансформации энергоносителей обязательна, происходит сток части энергии: значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.

Независимо от степени сложности экосистемы характеризуется:

v видовым составом

v численностью организмов

v биомассой

v соотношение отдельных трофических групп

v интенсивность процессов продуцирования и деструкции (разложения) органического вещества

Вернадский В.И. считал что “биосфера - это оболочка земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба”.

Вернадский выделял в биосфере ряд разных, но геологически взаимных типов веществ:

1. живое вещество - совокупность тел живых организмов населяющих Землю в независимости от их систематической принадлежности, Он считал, что это самая могучая геохимическая сила планеты.

2. биогенное вещество - химическое соединение, возникшие в результате жизнедеятельности организмов: горючие ископаемые, известняки, те вещества, создаваемые и перерабатываемые живыми организмами.

3. косное вещество - образуется без участия живых организмов (изверженные горные породы и т. д.)

4. биокостное вещество - создается одновременно и живым организмами и процессами неорганической природы.

5. радиоактивные вещества.

6. вещество космического происхождения

Дата добавления: 2014-11-29