CC BY
53БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ ИЛИ ОРГАНИЗМЫ ПРОТИВ
ЭНТРОПИИ Мурадов Ш. О.1, Тураев У. М.2
1Мурадов Шухрат Одилович - доктор технических наук, и. о. профессора;
2Тураев Улугбек Муртазаевич - ассистент, кафедра защиты окружающей среды и экологии, Каршинский инженерно-экономический институт, г. Карши, Республика Узбекистан
Аннотация: сегодня актуально вести серьезный разговор о другой стороне энергетической «медали» - энергетике живых организмов, о той энергетике, без которой невозможна жизнь ни на Земле, ни где-нибудь еще. Также необходимо затронуть вопрос об энтропии, которую образно называют тенью энергии. Если энергия создает, то энтропия, как злая фея, стремится все созданное рассеивать, выравнивать, обесценивать.
Ключевые слова: энергетика, энтропия, негэнтропия, живой организм, автотрофы, солнечная радиация, гетеротрофы, фотосинтез, олиготрофные и эвтрофные экосистемы, трофическая цепь, экологическая пирамида, деньги, полезные ископаемые.
Под энергетикой обычно понимают базовую отрасль промышленности, в значительной мере определяющую прогресс общественного производства.
Однако в данной статье речь пойдет не об этом. Авторы намерены вести серьезный разговор о другой стороне энергетической «медали» - энергетике живых организмов, о той энергетике, без которой невозможна жизнь ни на Земле, ни где-нибудь еще.
А еще мы будем говорить об энтропии, которую образно называют тенью энергии. Если энергия создает, то энтропия, как злая фея, стремится все созданное рассеивать, выравнивать, обесценивать. Говоря научным языком, энтропия - это мера рассеивания энергии, увеличения всех форм беспорядка. Но все же нашлась сила, которая вступила в битву со злой феей. И зовут эту силу - жизнь. Поэтому внимательно рассмотрим ее энергетическую функцию.
Органическим веществом и заключенной в нем энергией все живое население биосферы обеспечивают организмы - автотрофы. Для них, в свою очередь, главным источником энергии является солнечная радиация, ассимилируемая в процессе фотосинтеза растениями.
Однако следует отметить, что в природе довольно широко развиты автотрофные микроорганизмы, для жизнедеятельности которых не требуется солнечная радиация (здесь не имеются в виду гетеротрофы, питающиеся разлагающимся или минерализованным органическим веществом). Так, бактерия ТИюЬосШш' Шоох1ёат,
существующая в анаэробных условиях, способна окислить серу до серной кислоты, понижая рН водного раствора до 2,2 при величине гН (окислительно-восстановительный потенциал) в пределах 20 - 25. Другим автотрофом подобного рода является ТкюЬвсШш'£eггooxidans. Источником энергии в данном случае является закисное железо, которое переводится в окисную форму. Жизнедеятельность этого микроорганизма также не требует присутствия органического вещества. Более того, некоторые органические соединения (соли жирных кислот, углеводы) угнетают окислительную способность бактерии (Кузнецов и др., 1962) [1].
Таким образом, Т.thiooxidans и Т.feггooxidans можно считать организмами, практически независимыми от других форм жизни и продуктов их жизнедеятельности.
В связи с этим определенный интерес представляет идея В. И. Вернадского о возможности превращения человеческого общества из гетеротрофного (т.е. питаемого другими) в автотрофное.
В силу своих биологических особенностей человек не может превратиться в существо автотрофное, для потребления органические и неорганические вещества. Однако общество в целом, по убеждению многих, способно осуществить так называемый автотрофный способ производственной деятельности.
Поэтому под автотрофностью человечества следует понимать теоретически возможное получение человечеством энергии и синтезированной пищи непосредственно от Солнца без использования других организмов. Это означает, что в будущем человек все в большей мере будет использовать не высокомолекулярные природные органические соединения, а станет синтезировать белки, жиры, углеводы и другие жизненно необходимые вещества из низкомолекулярных и даже отдельных элементов. Уже в наши дни ведутся исследования по получению растительноподобной пищи в ходе искусственного фотосинтеза. Идея автотрофности человечества особенно привлекательна с экологических позиций, так как предполагает минимальное воздействие человека на окружающий его органический мир. Рассмотрим несколько подробнее данный вопрос.
Землю можно рассматривать как геофизическую систему (ГС), энергетически взаимодействующую с Солнцем. ГС, в свою очередь, коррелируется с биосферой (Б):
Г С Б —► (1)
Из общего количества излучаемой Солнцем энергии Земля получает лишь небольшое ее количество, измеряемое примерно цифрой 21*1023 кДж. Из этого количества растения ежегодно запасают не более 20,9*1022кДЖ, т.е. энергетический выход фотосинтеза не превышает 2% (Смирнов, 1978). За счет ассимилированной энергии Солнца ежегодно продуцируется близко 2,32*1011 г живого вещества. Только за 1 млрд. лет существования жизни на Земле это количество превысило 2,3*1020 г, что в 10 с лишним раз больше массы Земной коры (2*1019 г). Отсюда понятна огромная энергетическая роль организмов в процессах, протекающих на Земле (Перельман, 1977) [2].
Количество солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы Земли, неодинаково в разных местах и является функцией широты. Среди других факторов, влияющих на приходящую радиацию, отметим наличие облачности и запыленность воздуха. Часть приходящей радиации отражается от земной поверхности и уходит обратно в атмосферу. Количество этой радиации зависит от альбедо (отражающей способности поверхности). Снег отражает до 80% солнечного излучения, травянистая поверхность - 20%, а черноземы и другие темные почвы -всего 10% излучения. Средняя величина альбедо Земле 35-45%
Выше уже отмечалось, что в процессе фотосинтеза только небольшая часть солнечной энергии ассимилируется. Эта часть составляет около 2% и получила
21
название коэффициента полезного действия фотосинтеза (КПДФ). Максимальным КПДФ обладает лесная растительность (2,0-3,5%), для травянистых культур, в том числе и сельскохозяйственных, он составляет 1,0-2,9%, а КПДФ фитопланктона не превышает 0,5%.
Растительность в процессе фотосинтеза ежегодно потребляет около 170 млрд. т двуокиси углерода (примерно 18-22% всего СО2 содержащегося в атмосфере), продуцируя при этом 115 млрд. т кислорода.
В целом в зеленых тканях листа растительных растений осуществляются два параллельно протекающих, но противоположных процесса - фотосинтез и дыхание. При фотосинтезе создается органическое вещество и энергия расходуется. Биомасса экосистемы растет, если процессы накопления вещества преобладают над процессами дыхания.
В водных экосистемах толща воды препятствует проникновению солнечных лучей. Отсюда понятно, что КПДФ водных организмов наиболее низкий. Зона, в пределах которой они еще способны увеличивать биомассу, носит название эвфотической (от греческого «эв» - пере-, сверх; «фотос» - свет), а экосистема в этой зоне носит название системы с автотрофной сукцессией. Водные экосистемы также делят на бедные и богатые биогенными элементами (олиготрофные и эвтрофные).
В любом органическом веществе ассимилировано некоторое количество энергии. Однако количество органического вещества не пропорционально накопленной энергии. 1 т сухого вещества растений в среднем содержит 18,7 кДж энергии. Семена растений более богаты белками и жирами, поэтому их энергетический эквивалент выше - 20,0 кДж. Еще выше он в сухом веществе позвоночных животных (мясо) -23,5 кДж.
Автотрофные организмы создают первичную продукцию. Следует различать продуктивность общую и текущую (или годичный прирост). Если 1 га соснового леса способен образовать 200 м3 древесной массы, то это будет общая продуктивность. Однако за один год такой лес создает всего 1,7-2,5 м3 древесины. Эта величина характеризует текущую продуктивность (Стадницкий. Родионов, 1988) [3].
Другие организмы, кроме автотрофов, не способны ассимилировать солнечную энергию и вынуждены использовать ее опосредованно через органическое вещество, созданное фотосинтетиками. В биогеоценозе создается цепь последовательной передачи органического вещества и накопленной в нем энергии от одних организмов к другим. Эта цепь получила название трофической цепи (от греческого «трофе» - питаюсь).
Если трофические цепи имеют общие звенья, то образуется сложная система, именуемая трофической сетью.
Звенья трофических цепей и сетей получили наименование трофических уровней. Более точно трофический уровень определяется как совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу солнечную энергию через одинаковое число посредников (звеньев) трофической цепи. Так, определение «третий трофический уровень» означает, что между автотрофами - продуцентами (первый трофический уровень) имеется второй уровень - первичные консументы (растительноядные организмы). Третий трофический уровень представлен вторичными консументами (хищники и паразиты первичных консументов). Существуют и более высокие трофические уровни: четвертый - вторичные хищники и паразиты вторичных консументов; пятый - паразиты вторичных хищников, шестой - надпаразиты высоких порядков (паразиты паразитов вторичных хищников и др.). Несколько особняком стоят редуценты. Они могут составлять любой трофический уровень, начиная со второго. Редуценты разлагают органические вещества до минерального состояния и СО2. Продукты разложения опять возвращаются к продуцентам, образуя замкнутый трофический цикл, постоянно подпитываемый солнечной энергией.
Часть ономассы продуцента вместе с заключенной в ней энергией необратимо передается по трофической цепи с падением потока на каждом из трофических уровней в результате дыхания, теплового излучения живых тел и других процессов.
22
Продуктивность организмов, входящих во второй и более высокие трофические уровни, получила название вторичной продуктивности. Энергетически вторичная продуктивность исключительно низкая, так как при передаче из одного трофического уровня в другой теряется 90 - 99% энергии. Таким образом, в соответствии со вторым законом термодинамики в трофической цепи происходит рассеяние энергии, т.е. энтропия системы возрастает. Для устойчивой экосистемы рассеяние энергии компенсируется постоянным поступлением энергии от Солнца и ее материализацией автотрофами-продуцентами.
При деструкции организмов редуцентами также теряется значительная часть энергии, и продуцентам возвращается не более 0,20 - 0,25% изначально ассимилированной солнечной энергии. Поэтому когда мы говорим о трофическом цикле, его следует рассматривать именно как цикл, а не круговорот энергии, так как в этом цикле существует возврат вещества, а энергия практически полностью теряется «в пути».
В связи с отмеченными выше особенностями продуктивности различных трофических уровней, соотношения биомасс и накопленных в них энергий принято изображать графически в виде пирамид. Первую такую пирамиду построил Ч. Элтон.
В целом под пирамидой экологической понимается соотношение между продуцентами, консументами и редуцентами в экосистеме, выраженное в их массе или энергии. В некоторых водных экосистемах (например, в пелагической части морей и океанов) из-за исключительно высокой биологической продуктивности продуцентов, активно развивается трофические уровни консументов, и их масса может превышать массу продуцентов; редуценты иногда практически отсутствуют, так как отмирающие остатки погружаются в более глубокие слои и опадают на дно водоемов. В почвенном слое, наоборот, редуценты имеют максимальную биомассу, т.е. тоже образуют обращенную пирамиду.
При рассмотрении трофических уровней и цепей мы уже отмечали, что в системе цепи ее энтропия возрастает, т.е. процессы в ней соответствуют второму началу термодинамики.
Математически это начало может быть выражено уравнением:
ДБ = Б2 - Б! = ШпШ2 - = Шп^ (3)
где Д-изменение энтропии; 5Х -энтропия в состоянии 1; 52-энтропия в состоянии 2; Я-газовая постоянная; и"" -вероятность существования вещества или какой-либо его формы в состояниях 1 и 2.
Допустим, что переход от состояния 1 к состоянию 2 - процесс самопроизвольный. Если этот процесс имеет место, то и, следовательно,
82Л>0 (4)
т.е. в самопроизвольных процессах, проходящих без изменения энергетического состояния, энтропия увеличивается (Д5>0).
Система из состояния 2 (равномерное беспорядочное распределение атомов) не может самопроизвольно перейти в состояние 1, характеризующееся большим порядком. Состояния с большим беспорядком (с большей энтропией) более вероятны. Самопроизвольно могут протекать процессы в сторону наступления более вероятного состояния, когда энтропия увеличивается, порядок уменьшается, а беспорядок увеличивается (Керн, Вайброд, 1966; Зайцев, 1973 и др.).
Однако это утверждение справедливо лишь для систем, в которых не происходит каких-либо энергетических изменений (изменение энтальпии ДН = 0).
Организмы упорядочены в большей мере, чем слагающие их атомы и первичные соединения (Н2О, СО2 и др.). Следовательно, для того, чтобы энтропия системы не возрастала, организм должен извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию (негэнтропию). Для автотрофов это возможно за счет ассимиляции солнечной энергии. Консументы негэнтропию извлекают из пищи. При этом значительная часть энергии рассеивается (как в первом, так и во втором случае). При
гибели организма ассимиляция им солнечной энергии прекращается и происходит только рассеивание ранее накопленной (в консументах - опосредованно накопленной) энергии, и энтропия системы возрастает.
С точки зрения термодинамики жизнь может рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче от одного звена к другому (Стадницкий, Родионов, 1988).
Особое значение в экологии имеют так называемые правила десяти и одного процента.
Первое правило означает, что перевод из одного трофического уровня на другой 10% энергии (или соответствующего ей количества вещества) в целом существенно не нарушает трофическую цепь, экологическую пирамиду и не приводит к неприятным (необратимым) для экосистемы последствиям. Это принцип еще называют законом пирамиды энергий (законом Р. Линдемана).
Первое правило позволяет делать приблизительные расчеты необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и другие эколого-экономические подсчеты. Применительно к стационарным популяциям, которые в данное время не подвержены массовому размножению или катастрофическому падению численности, изъятие 10% (или несколько большего количества) особей также не влечет за собой выведения популяции из стационарного состояния.
Правило одного процента означает, что изменение энергетики природной системы на величину до 1%, не выводит ее из равновесного (квазистационарного) состояния. Превышение какими-либо крупными природными или искусственно вызванными процессами суммарной энергии Солнца более чем на 1% может привести к крупным глобальным изменениями и даже катастрофам (резкое глобальное изменение климата, крупные лесные и степные пожары, активизация тропических циклонов, глобальное изменение растительности, «ядерная зима» в результате массового применения ядерного оружия и т.д.). Следует отметить, что все же 1 и 10% в количественном отношении являются приблизительными.
Энергетика и термодинамика организмов теснейшим образом связаны с температурным фактором среды. Более чувствительны к воздействию этого фактора растения. Животные в этом плане относительно более независимы. Прежде всего, этому способствует механизм терморегуляции, выработанный у теплокровных животных (млекопитаюшие, птицы). Многие животные способны выбирать места с более благоприятной температурой (в норках, зарываясь в песок, уходя под камни и т.п.), активны в определенное время суток (змеи, тушканчики, суслики и др.). Известно правило Бергмана, имеющее термодинамическую основу: у теплотворных животных, подверженных географической изменчивости, размеры тела особей больше у популяции, живущих в более холодных частях ареала вида (хотя и имеются исключения). Так как потеря тела пропорциональна поверхности тела организма (но не его массе), поэтому более крупным животным легче поддерживать постоянную температуру тела.
В этом и есть термодинамическое определение жизни.
Список литературы
1. Кузнецов С. И., Иванов М. В., Ляликова Н. Н. Введение в геологическую
микробиологию. М.: изд-во АН СССР, 1962. 239 с.
2. Перельман А. И. Биокосные системы Земли.М.: Наука, 1977. 160 с.
3. СтадницкийГ. В., РадионовА. И. Экология. М.: Высшая школа, 1988. 272 с.
