Термодинамика в экологии

Эти оценки будут  относительны и - приближенные, но имеют значимый физический смысл. Это подтверждается существующими корреляциями и сопоставлениями температур плавления и температурных интервалов распада интересуемых нас веществ. В связи с известными корреляциями температуры распада химических соединений, температуры их кипения и плавления часто служат хорошим ориентиром для качественной оценки термодинамической стабильности этих соединений и их конденсированных фаз.

Термодинамическая стабильность супрамолекулярных структур - фрагментов нуклеиновых кислот может быть оценена путем использования уравнения Гиббса - Гельмгольца и аналога этого уравнения [3, 4, 8], применяемого для определения стабильности супрамолекулярных структур, образующихся между внутренними фрагментами цепей, а также внешними молекулами. В этом случае сравнение температур плавления структур также служат качественным показателем термодинамической стабильности структур.

Оценка термодинамической  стабильности супрамолекулярных структур может быть проведена на основании  использования ДСК (дифференциальносканирующей калориметрии). Однако и здесь такая оценка является приближенной. Биологические супрамолекулярные структуры плавятся в сравнительно широком интервале температур, поэтому определить температуру плавления различных фрагментов макромолекул и их окружения может быть затруднительно. Хотя известны факты, которые облегчают такую оценку путем вычисления стабильности отдельных однотипных супрамолекулярных структур биологических тканей (например, липидов).

Существует  ряда допущений и постулатов, используемых при оценке термодинамической стабильности химических и супрамолекулярных биологических систем переменного химического и супрамолекулярного состава в ходе эволюции. Тем не менее, известные факты, и экспериментальные данные подтверждают разумность такой оценки. Причиной этому, по-видимому, является то обстоятельство, что жизнь существует в узком интервале температур, а живые системы состоят, в основном из элементов с близкой «абсолютной однотипной стабильностью». Возможно, с термодинамической точки зрения, биологические системы можно считать «квазитермодинамическими». Не исключено, что этот приближенный подход отпугивает некоторых исследователей от проведения анализа возникновения жизни и ее эволюционного развития с позиции иерархической термодинамики.

1.3. Необратимые изменения в окружающей среде и термодинамика

Планета Земля  как целое, включая воду, воздух, землю, недра, а также биологические  объекты, не исключая и человека, является термодинамической системой. Поэтому  к ней вполне приложимо второе начало термодинамики: "В замкнутой системе энтропия не убывает". Энтропия - мера беспорядка, чем больше хаоса, тем численно больше энтропия.⁸

Смысл этого  физического закона можно проиллюстрировать  на примере комнаты, где ее жильцы ленятся проводить уборку: вскоре первоначальный порядок сам собой сменится беспорядком вещей, разбросанных по разным углам. Живой организм на первый взгляд является исключением из этого закона, его внутренние части долгое время находятся в порядке (кости не смешиваются с кровью), его смерть- итог относительно успешной борьбы со вторым началом.

Это достигается  постоянным притоком свободной энергии  из вне (с этой целью мы питаемся) и выбросом излишков энтропии во вне (с этой целью мы делаем выдох, а  также производим фекалии). Подобным образом и наша, почти как живая, цивилизация обеспечивает свое существование. Порядок, существующий в городской техногенной среде, оплачивается беспорядком в нетронутой человеком природной среде.

Мы берем  свободную энергию из вне (с этой целью сжиается уголь, бурятся глубокие нефтяные скважины) и выбрасываем излишки энтропии во вне (с этой целью создаются свалки мусора). Это неизбежно порождает экологические проблемы в масштабе всего мира (потепление климата, например), которые можно решать только сообща, всеми странами мира (ограничение использования фреонов для сохранения озонового слоя).

Глобальные  экологические проблемы есть объективный  результат взаимодействия нашей  цивилизации и окружающей среды  в эпоху промышленного развития. Началом этой эпохи принято считать 1860г., примерно в это время в результате бурного развития евроамериканского капитализма произошел выход тогдашней промышленности на новый уровень. Глобальные экологические проблемы делят на несколько групп, тесно связанных друг с другом:

-демографическая  проблема (негативные последствия роста численности населения в 20-м в.)⁹;

-энергетическая  проблема (дефицит энергии порождает  поиск новых ее источников  и связанным с их добычей  и использованием загрязнением);

-пищевая проблема (необходимость достижения полноценного  уровня питания всякого человека ставит вопросы в области сельского хозяйства и использования удобрений);

-проблема сохранения  природных ресурсов (сырьевые и  минеральные ресурсы истощаются  еще с бронзового века, актуально  сохранение генофонда человечества  и биоразнообразия, пресная вода и кислород атмосферы ограничены);

-проблема защиты  окружающей среды и человека  от действия вредных веществ  (известны печальные факты массового  выбрасывания китов на побережье,  ртутных и т.п. катастроф и  ими вызванных отравлений).

Первые случаи смога в крупных городах в 60-х  гг. требовали серьезного осмысления отношения человека и природы  в глобальном масштабе. В 1968г. итальянский  промышленник Аурелио Печчеи предложил  ведущим ученым мира дать обоснованный прогноз развития человечества на 21-й в. Более десятка исследователей откликнулись на этот призыв, они образовали Римский клуб. Общее руководство проектом было возложено на Джея Форрестера, новатора в области системного анализа, который успешно реализовал свои идеи при компьютерном расчете деятельности предприятия, а также городского развития. В 1972г. был опубликован нашумевший доклад Римского клуба "Пределы роста", сделанннй на основании исследования Дж.Форрестера и его ученика Дэниса Медоуза¹⁰.

Проблема, в которой широко используется понятие термодинамики, - это проблема экологии. Необратимые изменения в окружающей среде, возникающие в процессе человеческой деятельности, также подчиняются законам термодинамики. Их отличие, правда, состоит в том, что мир, в котором мы существуем, представляет собой не замкнутую, а открытую систему, постоянно взаимодействующую со всей Вселенной путем энерго- и массообмена. Термодинамика такой открытой системы очень сложна, и поэтому выводы, следующие из рассмотренной термодинамики замкнутой системы, к ней неприменимы.

Однако методы рассмотрения, основанные на статистическом подходе, остаются прежними и позволяют  сделать важные заключения о процессах, происходящих в живой природе.

Характерным примером здесь является процесс теплообмена  Земли с окружающим пространством. Если рассматривать часть Вселенной, которой принадлежит наша планета, как совокупность физических объектов, образующих замкнутую систему, то согласно обычной термодинамике она неизбежно должна прийти в состояние теплового равновесия, в котором все тела имеют одинаковую температуру; процессов переноса тепла от более нагретых тел к менее нагретым не существует - возникает состояние «тепловой смерти». В открытой системе заключение о неизбежной тепловой смерти системы неправомерно - в такой системе происходит бесконечный теплообмен с окружающей средой. Кроме того, в системах, бесконечных в пространстве и времени, к которым относится наша Вселенная, нельзя исключить возникновения процессов, которые имеют малую вероятность и не могут происходить в замкнутых системах.

Значительные  изменения в окружающую среду  вносит деятельность человека. Технический  прогресс и рост промышленного производства привел к тому, что результаты человеческой деятельности стали отрицательно влиять на состояние природы планеты.

Повышается средняя температура  атмосферы - происходит так называемое «тепловое загрязнение» атмосферы, изменяется ее химический состав, меняется состав недр Земли, ухудшается состояние водных ресурсов и поверхности Земли, возникает радиоактивное заражение поверхности, начинают изменяться в нежелательном направлении условия биологического существования.

Все это требует принятия срочных мер по более рациональному  развитию производительных сил.

С точки зрения термодинамики, деятельность человека, во-первых, имеет направленный, организующий характер, ведь в конечном счете цель человеческой деятельности - превращение окружающего мира в упорядочение работающую систему. Этот процесс организации среды приводит к уменьшению беспорядка и, следовательно, к уменьшению энтропии¹¹.

Таким образом, деятельность человека, строго говоря, «работает» против второго начала термодинамики. Во-вторых, продукты этой деятельности - отходы в виде неиспользованного тепла, химические отходы и другие неполезные продукты деятельности - приводят к загрязнению окружающей среды, тем самым увеличивая энтропию всей системы.

Проблема экологии и заключается в том, чтобы  в процессе человеческой деятельности минимально увеличивать энтропию окружающей среды.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ  ЭКОЛОГИИ

2.1. Термодинамическая направленность эволюции экологических систем

Возможность применения классических термодинамических методов  к проблемам экологии была, фактически, обоснована 1977 - 1978 годах, когда автор предложил термодинамическую теорию биологической эволюции. В последующие годы в журнальных статьях и монографиях, где обсуждались вопросы иерархической термодинамики, часто упоминалось о термодинамическом подходе к вопросам экологии. В меру своих сил автор пытался привлечь внимание к указанным проблемам молодежь. Однако это не привело к успеху.

В классическом понимании экологию определяют как  науку об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и окружающей средой (средой обитания). Хотя существуют другие расширенные представления об экологии, приведенное определение, с точки зрения фундаментальной науки, по-видимому, следует считать вполне приемлемым. Можно заметить, что в последнее время начинают изучаться термодинамические аспекты экологии человека (Human ecology), исследующей взаимодействия людей и их сообществ между собой и окружающей средой¹².

Экологическую термодинамику интересуют системы  и процессы, изучаемые экологией. Иерархическая термодинамика (феноменологическая термодинамика квазиравновесных квазизакрытых систем) на определенных временах, при постоянстве усредненных условий окружающей среды, должна позволить делать количественные оценки и предсказания на физической основе . Заметим, что неравновесная «термодинамика» систем, далеких от состояния равновесие, не в состоянии исследовать экологические физически обоснованные модели. Она может, в лучшем случае, представить результаты экологических исследований только в словесной форме или в виде картинок. Широко используемое математическое моделирование поведения экологических систем также отдаляет нас от понимания природных явлений на естественнонаучной основе.

Следуя простому описанию термодинамики формирования (развития) иерархических живых структур, характеризуем некоторые термодинамические взаимодействия в экологической системе.

Выделим территорию, где обитают различные популяции  и сообщества организмов в заданной (практически постоянной) среде обитания. Такую среду обитания можно считать физическим термостатом выделенной системы. В таких условиях в группах однотипных организмов - «элементарных группах» (группах организмов индивидуальных популяций, содержащих достаточно большое количество особей) равновесия между ними (организмами) устанавливается сравнительно быстро. Другими словами, в этом случае t1 (время достижения равновесия в «элементарной группе») мало. В то же самое время, равновесия между группами разных популяций (т.е. группами, содержащими различные организмы) устанавливаются значительно медленнее.¹³

Другими словами  эти равновесия устанавливаются  на сравнительно больших временах (t2), адаптация «элементарных групп» различной природы (связанная с  обменом вещества и энергии между  ними) - сравнительно медленный процесс. Таким образом, удельная функция Гиббса образования структур «элементарных групп» - сложных термодинамических мини-систем (часто, представляющих «элементарные объемы» общей экологической системы) достигает минимума на малых временах t1, то есть сравнительно «мгновенно». Поэтому изменение этих удельных величин (∆Ḡ*eco< 0) в процессе эволюции выделенной экологической системы объективно характеризует изменение стабильности исследуемых «элементарных групп». Такого типа модели можно создавать для эволюции разнообразных экологических систем и их подсистем. Разумеется, что при построении подобных моделей определяющую роль играет возможность разделения (посредством сильных неравенств) времен, характеризующих процессы достижения равновесий (квазиравновесий) при формировании иерархических структур: t1 << t2 .¹⁴

Подобные явления  достижения иерархических равновесий наблюдаются в дисперсных коллоидных и эмульсионных системах. Это подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Наиболее известной многокомпонентной полидисперсной природной системой является молоко, компоненты которого находятся в тонкодисперсном состоянии. Вычисления термодинамических величин для подобных случаев общеизвестны.

Иерархическая термодинамика шаг за шагом (через  взаимодействие структур смежных иерархий) оптимизирует стабильность смежных иерархий. Согласно принципу стабильности вещества (принципу обратных связей) структуры высшего уровня (например, экологического), смежного с низшим уровнем (например, популяционным) при эволюции биологического объекта становится относительно более стабильным, а структуры низшего уровня (в данном случае, популяционного) становится относительно менее стабильными. По цепочке «от иерархии к иерархии», в соответствие с термодинамическим механизмом «вперед - назад» вдоль иерархической цепи структур, происходит оптимизация максимальной стабильности всех моноиерархий полииерархической системы. Существование взаимно подстраивающихся иерархических структур, характерное для явления жизни, приводит к многочисленному многообразию внутриклеточных структур, клеток, организмов, популяций, экологических систем.