Второе начало термодинамики и экология

Вопрос о применимости второго начала термодинамики к живым системам и биосфере не раз ставился перед учеными. Ярко выраженная тенденция живых систем к неравновесности заставляет некоторых естествоиспытателей усомниться в возможности действия второго начала термодинамики в области живого. Существует мнение, что равновесие характеризуется состоянием покоя и симметрии, асимметрия же связана с движением и неравновесным состоянием. Понятие равновесия играет в биологии не менее значимую роль, чем в физике. Всеобщий закон биологии — принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем — определяет специфику биологической формы движения материи. Действительно, устойчивое термодинамическое равновесие (асимметрия) является основным принципом, который не только охватывает все уровни познания живого, но выступает в качестве ключевого принципа в постановке и решении проблемы происхождения жизни на Земле.

Понятие равновесия может быть рассмотрено не только в статистическом аспекте, но и в динамическом. Симметричной считается среда или статистическая система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, среда с высокой энтропией и максимальным беспорядком частиц. Асимметричная среда характеризуется нарушением термодинамического равновесия, низкой энтропией и высокой упорядоченностью структуры.

При рассмотрении целостного объекта картина меняется. Симметричные системы (кристалл) характеризуются состоянием равновесия и упорядоченности. Но асимметричные системы (живые тела) также характеризуются равновесием и упорядоченностью с тем только различием, что в последнем случае имеем дело с динамической системой. Таким образом устойчивое термодинамическое равновесие (или асимметрия) статистической системы есть другая форма выражения устойчивого динамического равновесия (асимметричные динамические системы) высокой упорядоченности и структурности организма на всех его уровнях. Нужно только указать, что структурность носит динамический характер.

Ясно, что живое подчиняется физическим законам так же, как и неживое. Парадокс неравновесности — кажущееся явление. Абсолютное стремление к термодинамическому равновесию присуще лишь замкнутым системам, а биосфера, как и каждый отдельный организм, является принципиально открытой системой, на протяжении всей своей истории получающей энергию и негаэнтропию (информацию). Поэтому не было бы нужды связывать проблему окружающей среды со вторым началом термодинамики, если бы этот закон ограничивал сферу своего действия только на термодинамику.

Заложенный во втором начале термодинамики принцип (в замкнутой, т.е. изолированной, системе в тепловом и механическом отношении энтропия остается либо неизменной, если в системе протекают обратимые, равновесные процессы, либо возрастает при неравновесных процессах и в состоянии равновесия достигает максимума, другими словами: тепло не может передаваться от более холодного к более нагретому телу без каких-либо изменений в окружающей среде или самой системе) носит более общий характер и выходит далеко за рамки действия термодинамики. Теория открытых систем имеет системные законы, которые проявляются в виде аналогий.

Проявление второго начала термодинамики в специфической форме в экологии можно раскрыть с помощью двух родственных принципов:

? принцип ярусности;

? принцип относительной замкнутости.

Принцип ярусности означает, что каждая конкретная экосистема может поглощать негаэнтропию среды только в пределах своего яруса (имеются в виду ярусы пищевой пирамиды в экологии: хищники не могут поддерживать жизнедеятельность своего организма при помощи травы, травоядным нет никакой пользы от углекислого газа, солнечного цвета, обеспечивающих рост растений и т.д.).

Рассмотрим теперь принцип относительной замкнутости. Каждая конкретная экосистема в пределах экологической ниши, являющейся открытой системой, будет вместе с тем замкнутой по какому-нибудь параметру, жизненно важному для обитателей данной ниши. Например, если популяция рыси поедает всех кроликов в своей округе, она обречена на гибель, несмотря на наличие других, но биологически не пригодных для рыси источников негаэнтропии. Таким образом, по «кроличьему параметру» экосистема рысь — кролик как биотип оказалась замкнутой.