Общая экология

3.7. Термодинамика экологических систем

Для предмета экологии — «взаимосвязи и взаимодействия живого и окружающей среды на надорганической ступени» (Stugren, 1978) - характерны закономерности

особого рода, не сводимые к физическим законам. Вместе с тем физика устанавливает пределы экологического подхода; на нашем современном уровне знаний ни один экологический процесс не привел «к отмене» физических законов. Поэтому при оценке экологических законов мы должны требовать их совместимости с физическими принципами, поэтому физика выступает в роли весьма ценного вспомогательного средства при установлении законов экологии. Экология может также использовать физику еще в одном отношении. Экологические процессы в природе отличаются необычайным разнообразием взаимодействий. Следовательно, при их математическом моделировании неизбежно сильное упрощение и сведение широкого спектра свойств живого организма в единый комплекс, обладающий лишь небольшим числом удобообозримых свойств. Для анализа таких упрощенных систем физика располагает большим запасом подробно разработанных математических моделей, системой понятий и. накопила немалый опыт их применения. Поэтому заключения по аналогии с физическими системами; если к ним подходить с надлежащей осторожностью и требовательностью, могут стать ценным источником знаний для экологов.

Наиболее обширной, поистине всеобъемлющей, экологической системой на Земле является биосфера, охватывающая весь живой мир и все места его сосредоточения (Stugren, 1978). Понятие биосферы было введено Зюссом в 1909 г. Биосфера включает в себя гидросферу, осадочные породы земной коры и нижние слои атмосферы. Верхней границей биосферы служит лежащий на высоте около 30 км озонный слой (озоносфера), который играет роль своего рода экрана, предохраняющего жизнь на Земле от губительного ультрафиолетового излучения из космического пространства. Нижняя граница биосферы проходит по дну океана, а на суше — несколькими километрами ниже поверхности Земли. С точки зрения термодинамики биосфера представляет собой открытую систему. Обмен веществ играет в биосфере лишь весьма незначительную роль по сравнению с обменом энергией. Биосфера содержит и неограниченную компоненту — запас сырья (рис. 3.10). Относительно автономная система биосферы называется экосистемой. По Стугрену (Stugren, 1978), «экосистема представляет собой пространственно-временное образование, в котором интегрированы совокупность живых организмов (биоценоз) и биотоп. Такое единство живого и окружающей среды высокого порядка лежит в основе всех экологических систем». Примерами экосистем могут служить дубовый лес, пшеничное поле, деревенский пруд и т.д.

Мы покажем на примерах, как просто могут быть построены экологические модели и как при их исследовании можно использовать методы феноменологической термодинамики. Методы современной термодинамики необратимых процессов впервые, насколько нам известно, применил Мауэрсбергер (Mauersberger, 1981). Объектом наших моделей мы выбираем некую открытую заданную экосистему.

Экосистема черпает необходимые вещества из имеющегося запаса, поглощает свободную энергию из солнечного излучения и из органической пищи и возвращает вещества, отдавая энтропию (в основном в виде тепла) (рис. 3.10). При этом организмы и как отдельные особи, и как совокупность постоянно диссипируют энергию, чтобы поддерживать свои (диссипативные) структуры и развиваться. Поэтому для любого живого организма доступ к свободной энергии является центральным вопросом существования; борьба за выживание есть прежде всего борьба за свободную энергию.