Функціонування біосфери, закони термодинаміки, поняття про ентропію

Біосфера – це відкрита термодинамічна система, що одержує енергію у вигляді сонячного випромінювання і теплової енергії процесів радіоактивного розпаду речовин у земній корі та ядрі планети. Більша частина сонячної енергії нагріває атмосферу, літосферу, Світовий океан і витрачається на випаровування води, утворення хмар, вітру. Сонячна енергія (0,023 %) зв’язується вищими рослинами, водоростями, фототрофними бактеріями і зберігається у процесі фотосинтезу у вигляді енергії хімічних зв’язків органічних сполук. Ця зв’язана енергія далі використовується в ланцюгах живлення і за її рахунок жива речовина виконує роботу – концентрує, трансформує, акумулює й перерозподіляє хімічні елементи у земній корі. Робота живої речовини супроводжується розсіюванням у вигляді тепла майже всього запасу сонячної енергії. Уловлена сонячна енергія трансформується – йде на виконання так званої корисної роботи й розсіювання. Ці два процеси підпорядковуються двом фундаментальним законам – першому та другому законам термодинаміки.

Перший закон термодинаміки часто називають законом збереження енергії. Це означає, що енергія не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу. Кількість енергії при цьому не змінюється.

Другий закон термодинаміки визначає напрям якісних змін енергії у процесі її трансформації з однієї форми в іншу. Закон описує співвідношення корисної та марної роботи під час переходу енергії з однієї форми в іншу і дає уявлення про якість самої енергії. За будь-якої трансформації енергії лише частина її витрачається на виконання корисної роботи. Решта розсіюється у вигляді тепла. Чим більша кількість енергії витрачається на виконання корисної роботи, тим вищою вважається якість початкової енергії. Енергією найнижчої якості є енергія броунівського руху, тобто теплова. Її не можна використати для виконання корисної роботи. Кількість енергії найнижчої якості, непридатної для здійснення корисної роботи, називають ентропією. Ентропія – це міра дезорганізації, безладу, випадковості систем та процесів. За другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної енергії у низькоякісну енергію і призводить до зростання ентропії.

У термодинамічно закритій системі, котра не отримує енергії ззовні, знизити ентропію неможливо, адже вся якісна енергія такої системи врешті-решт перетворюється на низькоякісну (теплову). Проте у відкритій системі можна протидіяти зростанню ентропії шляхом використання високоякісної енергії, що надходить із зовні та відведенням низькоякісної енергії за межі системи. Всесвіт є закритою системою й у ньому ентропія постійно зростає. Біосфера є відкритою системою, котра підтримує власний низький рівень ентропії шляхом використання якісної (променевої) енергії Сонця та розсіювання у космічному просторі низькоякісної теплової енергії.

У неживих системах, за умови відсутності надходження енергії ззовні, у підсумку обов’язково виникає стійкий рівноважний стан із середовищем, тобто система досягає максимальної ентропії. У живих систем є одна принципова відмінність від неживих – вони здійснюють постійну роботу проти урівноваження з довкіллям, тобто направлену на власне внутрішнє упорядкування, а, отже, на зменшення власної ентропії. Неживі системи прямують до стійкого рівноважного стану з навколишнім середовищем, а живі системи намагаються досягти стійкого нерівноважного стану. Для цього вони дістають необхідну енергію з навколишнього середовища. Самоорганізація живої системи відбувається завдяки отриманню енергії з довкілля. Цей процес носить назву негентропія і веде до зменшення ентропії живої системи, протидіє її урівноваженню з довкіллям.

Основний механізм отримання енергії живими системами, прямо або опосередковано пов’язаний з використанням сонячної енергії. Енергія Сонця, що доходить до Землі, розподіляється так: 33 % її відбивається хмарами і пилом атмосфери (це так зване альбедо або коефіцієнт віддзеркалення Землі); 67 % поглинається атмосферою, поверхнею Землі й океаном. Біля 1 % поглиненої енергії витрачається на фотосинтез, а вся інша енергія нагріває атмосферу, сушу й океан і випромінюється в космічний простір у вигляді невидимого теплового (інфрачервоного) випромінювання. Цієї енергії вистачає для забезпечення енергією усієї живої речовини планети і підтримання стану з низькою ентропією. Існування живих систем підпоряковується низці законів. Один із них – закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадського-Бауера). У процесі еволюції видів, за твердженням В.І. Вернадського, виживають ті системи, які збільшують біогенну біохімічну енергію. На думку Е.С. Бауера, живі системи ніколи не знаходяться у стані рівноваги і виконують за рахунок своєї вільної енергії корисну роботу проти рівноваги, котрої вимагають закони фізики і хімії за наявних зовнішніх умов.

Будь-яка жива система, у тому числі й екосистема, підтримує свою життєдіяльність завдяки наявності у довкіллі надлишку енергії та власної здатності вловлювати і концентрувати енергію, а використавши її – розсіювати у довкіллі. Спочатку вловлювання, а потім концентрація енергії з переходом від одного трофічного рівня до іншого забезпечує підвищення упорядкованості, організації живої системи, тобто зменшення її ентропії. Для підтримання низької ентропії однаково важливо, щоб у елементів системи були ефективні механізми для вловлювання і концентрації енергії, що зменшує ентропію системи та механізми звільнення системи від накопиченої у процесі життєдіяльності позитивної ентропії.

Життя, як термодинамічний процес, є безперервним обміном енергією між живими системами і довкіллям. Унаслідок цього відбувається звільнення від позитивної ентропії та набування негативної. Ентропія зменшується в конкретній локальній зоні, при цьому в довкіллі вона зростає. Таким чином, зростання впорядкованості в одній частині системи призводить до посилення невпорядкованості в інших її частинах.

Окрім поняття фізичної ентропії використовують поняття “ентропія екологічна” – кількість незворотньо розсіяної у просторі теплової енергії (яка компенсується енергією Сонця). У процесі самовпорядкування жива речовина необоротно розсіює енергію, яка проходить через екосистеми і створює ентропію екологічну.