Наука і техніка

Найважливішим аспектом екології є енергетичні взаємини в екологічних системах. Але перш ніж перейти до вивчення енергетики екосистем, нам необхідно розглянути деякі основи термодинаміки.

Енергію визначають як здатність виконувати роботу. Властивості енергії описуються наступними законами.

Перший закон термодинаміки, або закон збереження енергії, свідчить, що енергія може переходити з однієї форми в іншу, але вона не зникає і не створюється заново. З точки зору першого закону можливі й рівноймовірно будь-які процеси, в яких замість зниклого виду енергії з'явиться еквівалентну кількість іншого виду. Так, першому закону не суперечило б підняття вантажу або закручування будь-якої пружини за рахунок внутрішньої енергії навколишнього середовища. Чому, справді, камінь, який лежить на землі, не може піднятися на якусь висоту за рахунок охолодження навколишнього повітря? Однак не піднімається. Перехід теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітому означав би лише перерозподіл енергії всередині системи і також не суперечив першому закону. Проте відомо, що посудину з водою ніколи не закипить на холодній плиті. Іншими словами, перший закон нічого не говорить про можливість і ймовірність того чи іншого процесу, пов'язаного з перетворенням енергії або її перерозподілом.

Тим часом, якщо уважно розглянути всілякі процеси, що протікають в навколишньому світі, а також проведені нами самими, виявиться, що їх можна розбити на дві істотно розрізняються групи. По-перше, це процеси мимовільні, тобто що йдуть самі собою. Для їх проведення не тільки не витрачається робота, але будучи поставленими у відповідні умови, вони самі можуть призвести роботу в кількості, пропорційній відбувається зміни (наприклад, перехід теплоти від гарячого тіла до холодного, перехід енергії зарядженого акумулятора в теплоту і т.д.) . Мимовільні процеси ведуть систему до стану рівноваги, де сили, що викликають процеси врівноважуються. (Наприклад, вирівнюються тиск, температура, концентрація і т.д.). У разі спроби повернути мимовільні процеси назад, ми маємо справу вже з несамопроізвольнимі процесами. Вони не йдуть самі собою. Для їх проведення необхідно затратити роботу в кількості, пропорційній відбувається зміни. Критерії мимовільного або несамопроізвольного зміни системи, а також критерії рівноваги встановлює другий закон термодинаміки.

Другий закон термодинаміки, або закон ентропії, формулюється по-різному. Для наших цілей більш зручними є наступні формулювання, які ми наводимо нижче:

процеси, пов'язані з перетвореннями енергії, можуть відбуватися мимовільно тільки за умови, що енергія переходить з концентрованої форми в розсіяну (деградує);

оскільки деяка частина енергії завжди розсіюється у вигляді недоступний для використання теплової енергії, ефективність мимовільного перетворення кінетичної енергії (наприклад, світла) в потенційну (наприклад, енергію хімічних сполук протоплазми) завжди менше 100%.

Ентропія (від грецького entropia - поворот, перетворення) - міра кількості енергії, яка стає недоступною для використання, міра зміни впорядкованості, що відбувається при деградації енергії. Система володіє низькою ентропією, якщо здатна створювати і підтримувати високий ступінь внутрішньої упорядкованості за рахунок безперервного розсіювання легко використовуваною, концентрованої енергії (наприклад, світла або їжі) та перетворення її в енергію, використовувану з працею (наприклад, в теплову).

Закон збереження енергії і закон ентропії - це фундаментальні закони природи, що мають універсальне значення. Наскільки нам відомо, з цих фізичних законів немає винятків і ніякі технічні винаходи не можуть їх порушити. Будь-яка штучна або природна система не підкоряється цим законам приречена на загибель.

Легко показати, яким чином сформульовані фундаментальні фізичні концепції можна віднести до екології. Все розмаїття проявів життя супроводжується перетвореннями енергії, хоча енергія при цьому не створюється і не знищується (перший закон термодинаміки). Енергія, що отримується у вигляді світла поверхнею Землі, врівноважується енергією, випромінюваної з поверхні Землі у формі невидимого теплового випромінювання. Сутність життя полягає в безперервній послідовності таких змін, як зростання, самовідтворення і синтез складних хімічних сполук. Без переносу енергії, що супроводжує всі ці зміни, не було б ні життя, ні екологічних систем. Наша цивілізація - лише один із чудових явищ природи, що залежать від постійного припливу концентрованої енергії світлового випромінювання. Екологія, по суті справи, вивчає зв'язок між світлом і екологічними системами та способи перетворення енергії всередині системи. Бо відносини між рослинами - продуцентами і тваринами - консументів, між хижаками та жертвою, не кажучи вже про чисельність і видовий склад організмів у кожному місцеперебувань, лімітуються і управляються потоком енергії, перетворюється з її концентрованих форм у розпорошені.

Рік за роком сонячне випромінювання поширюється в космічному просторі. Якась частина цього випромінювання потрапляє на Землю, проходить через плівку атмосфери і стає доступною багатьом сотням екологічних систем, що покривають нашу планету і входять до складу її біосфери. Коли світло поглинається предметом, який при цьому нагрівається, світлова енергія перетворюється в іншу форму енергії - теплову, тобто в енергію коливальних і поступальних рухів молекул. У результаті нерівномірного поглинання сонячних променів сушею і водою виникають теплі і холодні області - це служить причиною утворення повітряних потоків, які можуть обертати вітряні двигуни та виконувати іншу роботу, скажімо піднімати воду насосом проти дії сили тяжіння. Отже, в цьому випадку енергія світла перетворюється на теплову енергію земної поверхні, а потім у кінетичну енергію рухається повітря, яка виконує роботу підйому води. При піднятті води енергія не зникає, а перетворюється на потенційну, оскільки енергію, приховану у піднятій воді можна знову перетворити на будь-яку іншу форму енергії, якщо дати воді знову впасти.

Енергія в будь-якій формі завжди пропорційна кількості тієї форми енергії, в яку вона переходить. "Споживання енергія" не витрачається, вона тільки перекладається зі стану, в якому її легко перетворити на роботу, в стан з малою можливістю використання (бензин в баку автомобіля дійсно витрачається, але енергія, що міститься в ньому, не зникає, а перетворюється у форми, вже неприродних для використання в автомобілі).

Так, потрапивши на Землю, промениста енергія сонця прагне перетворитися в теплову. Лише дуже невелика частина світлової енергії, поглиненої зеленими рослинами, перетворюється на потенційну енергію їжі, велика ж її частина перетворюється в тепло, яка покидає потім і рослина, і екосистему, та біосферу. Весь інший живий світ отримує необхідну потенційну хімічну енергію з органічних речовин, створених фотосинтезуючими рослинами або хемосінтезірующімі мікроорганізмами. Наприклад, тварини поглинають хімічну потенційну енергію їжі і більшу її частину перетворюють на тепло, а меншу знову переводять у хімічну потенційну енергію заново синтезується протоплазми. На кожному етапі передачі енергії від одного організму до іншого значна частина її перетворюється в тепло, розсіюється згідно з другим законом термодинаміки - законом ентропії.

Ми простежили два шляхи перетворення кінетичної енергії сонячного світла. Перший шлях - перетворення в енергію теплового випромінювання. І другий - шлях поглинання сонячного світла фотосинтезуючими організмами з продукуванням органічної речовини. У кожному разі спробуємо зрозуміти, яку форму енергії, концентровану або розсіяну, зачіпає перетворення, на яких етапах перетворення енергії відбувається кількісно, на яких немає:

Продуценти (Рослини)

                                        неколіч. потенційна енергія

кінетична енергія органічних сполук

сонячно. світла Число.

                                                           теплова енергія

Гетеротрофи  (Хижаки, травоїдні)

                                                                         потенційна енергія

                                                    неколіч. власної протоплазми

потенційна енергія

Сполуч. сінтезінрованних

рослинами                                 Число.

                                                                          теплова енергія

Таким чином, всі типи екосистем регулюються тими ж основними законами, які керують та неживими системами. Але є й відмінності.