CC BY
51
К проблеме изучения термодинамических показателей в фитосистемах
В.И. Авдеев, д.с.-х.н, Оренбургский ГАУ
Как известно, к термодинамическим системам в физике относят любые системы или их части, способные обмениваться энергией внутри себя или с окружающей внешней средой. В этом плане биосистемы представляют собой типичные термодинамические системы.
Природные биосистемы — открытые, диссипативные, неравновесные системы, в которых происходят процессы обмена энергией, веществом, информацией с окружающей средой. Диссипация, т.е. рассеивание энергии за пределы открытых физических систем, помимо функции обменной регуляции, приводит к самоорганизации, возникновению в системах новых структур. Неравновес-ность заключается в необратимом накоплении во времени в биосистемах свободной энергии. В итоге диссипация и неравновесность обеспечивают процесс эволюции биосистем [1, 7, 13].
Ниже обсуждаются кратко рассмотренные основные термодинамические показатели, их взаимосвязь, связь с гравитацией и параметрами Времени-Пространства, возможности изучения в живых системах.
Энтропия. Биосистемы, в отличие от равновесных систем косной (неживой) материи, не подчиняются Второму закону термодинамики (или Закону энтропии), поскольку в них доминируют процессы аккумуляции свободной энергии [6]. Отсюда, проблемным является применение для биосистем классического понятия энтропии, предложенного в физике для замкнутых равновесных термомеханических систем, где энтропия является величиной, обратной энергетической плотности среды [8], т.е. характеризует разреженность (рыхлость) среды, дефицит в ней свободной энергии. В открытых же системах, неопределенных по объему, происходит одностороннее накопление энергии, что приводит со временем к уменьшению
емкости (энтропии) среды. Поэтому в биосистемах реально учитывать только соотношение между концентрированной и рассеянной энергиями [12]. При этом надо иметь в виду, что в живых организмах концентрированная энергия, заключенная в высокомолекулярных соединениях (например, в белках и др.), довольно легко превращается в энергию более низкомолекулярных и низкоэнтропийных веществ (аминокислот). Не меньшие проблемы в понимании сущности энтропии в биосистемах вносит ее отождествление с понятием информации [4 и др.]. На самом деле, информация, т.е. достоверное сообщение о состоянии и положении системы, снижает энтропию системы, противостоит тем самым Второму закону термодинамики. Однако расчеты показывают, что энергетическая «стоимость» информации крайне низкая, не оказывающая ощутимого влияния на величину энтропии [3, 9].
Упорядоченность и хаос. Эти физические понятия играют в биосистемах ключевую роль, поскольку только их анализ приводит к пониманию процессов самоорганизации или деградации биосистем во времени, т.е. их специфической эволюции. В физике эти понятия были предложены для закрытых систем, в которых при однонаправленном движении среды к равновесию энтропия монотонно возрастает, а потом остается константной. В них физический хаос заключается в отсутствии обратной связи системы с окружающей средой [7]. К биосистемам же применимо только понятие стационарно неравновесного состояния. Диссипация энергии в окружающую среду рассматривается как усиление термодинамического порядка (увеличение энтропии) внутри биосистемы, но и, соответственно, хаоса в окружающей среде. Наиболее упорядочены биосистемы, имеющие минимальный запас свободной энергии, т.е. высокоэнтропийные [12, 13]. Косные системы (например, минералы) имеют минимум свободной энергии, высокоэнтропийны, максимально упорядочены [6]. Промежуточное положение занимают биокосные системы (горючие полезные ископаемые, почвы, вода и т.п.), которые также обладают большим запасом свободной энергии, способны химически изменяться, отдавая эту энергию, но не способны к фундаментальным свойствам живого [10] — самоподдержанию и самовоспроизведению. Поэтому ошибочно относить биокосные вещества к категории живого, как это делает Э.Р. Мулдашев [11]; это не живые, а животворные субстанции [1]. Как известно, биокосные системы (вещества) В.И. Вернадский называл «следами былых биосфер».
Время и Пространство. В естествознании важнейшей и пока малоизученной проблемой является проблема Времени и Пространства, с которой связаны, в частности, проблемы гравитации и упорядоченности систем. Этой проблемы в свое вре-
мя касался А. Эйнштейн, но она его больше интересовала с позиции создания теории относительности, инерциальных систем отсчета. Сама же сущность понятий Времени и Пространства в биосистемах в его работах не затрагивалась*. В последнее время этой проблемой серьезно начал занимался Э.Р. Мулдашев [11], но его концепция Времени-Пространства оказалась противоречивой. Нам представляется, что к этой проблеме можно подойти со следующих позиций [1].
Известно, что в живых организмах течет биологическое время со скоростью, которая в триллионы раз большая, чем геологическое время в косном веществе. Это связано с избытком в живом веществе свободной энергии, вызывающей в нем необратимые процессы, т.е. онтогенез этого вещества. Следовательно, Время — свободная энергия, текущая с разной скоростью. Из молекулярно-кинетической теории вещества следует, что избыток свободной энергии приводит к увеличению свободного пробега молекул (хаосу), т.е. возрастанию трехмерного Пространства (объема) вещества. Из этих соображений можно сделать ряд выводов. Во-первых, о прямой связи Времени и Пространства. В косном веществе (например, минералах) они сжатые, в живом веществе — более текучие, нестабильные.
Во-вторых, об обратной связи Времени-Пространства и упорядоченности в системах. Чем более биосистемы энергоемкие, тем менее они устойчивые, быстрее эволюционируют и стареют. Это отражает известные факты, что упорядоченными биосистемами являются те, в которых интенсивнее расходуется свободная энергия, например, за счет процесса дыхания [5]. В-третьих, о прямой связи Времени-Пространства и гравитации. Известно, что гравитация прямо пропорциональна не только массе вещества, но и зависит от его плотности [13]. При избытке свободной энергии, т.е. ускорении Времени и возрастании Пространства, происходит дисперсизация («дематериализация») , увеличивается мобильность вещества, падает сила его притяжения.
Принципы изучения термодинамических показателей в фитосистемах. В методическом плане следует различать среди них динамические (изменяющиеся во времени) и статические показатели [2]. Примером первых у растений являются показатели термодинамических процессов искусственного завядания (испарение воды, водопоте-ря) и транспирации. Эти процессы регулируются с помощью механизма обратной связи и поэтому являются, хотя бы на начальном этапе (на стар-
* Обращает на себя внимание противоречие между известной формулой Эйнштейна (Е = тс2) и данными экспериментальной физики. Согласно этой формуле масса вещества или тела (т) обратно пропорциональна скорости его перемещения. Однако известно, что при скоростях, близких к скорости света (с), масса элементарных физических частиц в ускорителях, наоборот, резко возрастает.
те), управляемыми (регулируемыми) процессами [9]. В качестве термодинамического показателя используются усредненные данные, в частности предложенный нами показатель СДСВ — средняя дифференциальная скорость водопотери. При этом СДСВ рассчитывают отдельно как для этапа активного физиолого-биохимического регулирования водопотери (на старте процесса завядания), так и на последующем этапе относительно пассивного (физического) регулирования. Эксперименты показывают, что среди видов растений существуют такие, у которых на старте происходят быстрые водопотери (сужение Времени-Про-странства), т.е. такие биосистемы стремятся к максимальной упорядоченности за счет резкого снижения засухоустойчивости, быстрой деградации. Но есть засухоустойчивые виды, способные максимально противостоять вод опотерям за счет удерживания предварительно поглощенной в начале опыта воды [2]. Поскольку в последнем случае биосистема становится более хаотичной (приток свободной энергии в виде дополнительно поглощенной воды), это означает, что не всегда хаос приводит к деградации системы. Поэтому в физике выработаны понятия «нормы хаоса», или «относительной упорядоченности» в системе. Считается, что прогрессивные, самоорганизующиеся системы должны обладать определенной «нормой хаоса», чтобы противостоять своей деградации. Измерять норму хаоса (степень упорядоченности) биосистемы можно и с помощью общеизвестных статистических показателей — среднего значения и стандартной ошибки, коэффициента вариации статического признака и др. [7]. Однако большую проблему при этом составляет создание шкалы для
измерения нормы хаоса, ранжирования статистических показателей, ведь точкой отсчета при этом является состояние равновесия системы [7], которое в природе для биосистем, вероятно, почти не существует. Очевидно, что для разныхвидов растений и других организмов необходима разработка частных методик изучения указанных выше термодинамических показателей.
Литература
1 Авдеев, В.И. Естественно-научный анализ современной концепции антропогенеза // Проблемы устойчивости биоресурсов: теория и практика: мат. 2-й Рос. науч.-практ. конф. Оренбург: ОГАУ, 2005. С. 62-70.
2 Авдеев, В.И. Термодинамика засухоустойчивости плодовых растений // Мат. межд. науч. конф. «Методическое обеспечение устойчивого развития современного плодоводства» / В.И. Авдеев, З.А. Авдеева, Е.А. Быкова. Респ. Беларусь, Са-мохваловичи, 2006. Т. 18. Ч. 2. С. 125—129.
3 Блюменфельд, Л.А. Информация, динамика и конструкция биологических систем // СОЖ. 1996. № 7. С. 88—92.
4 Зайцев, Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1984. 424 с.
5 Зотин, А.И. Скорость и направление эволюционного прогресса организмов / А.И. Зотин, Д.А. Криволуцкий // Журнал общей биологии. 1982. Т. 43. № 1. С. 3—11.
6 Казначеев, В.П. Учение Вернадского о преобразовании биосферы и экологии человека / В.П. Казначеев, Ф.Т. Яншина, В.И. // Новое в жизни, науке, технике. Сер. Науки о Земле. М.: Знание, 1986. № 3. 48 с.
7 Климонтович, Ю.Л. Введение в физику открытых систем. СОЖ. 1996. № 8. С. 109-116.
8 Маневич, Л.И. Обратимость и стрела времени: между порядком и хаосом. Ч. 1. Феноменология необратимости // СОЖ. 1997. № 11. С. 64-69.
9 Медников, Б.М. Онтогенез и теория информации // Природа. 1971. № 7. С. 15-23.
10Медников, Б.М. Об основных принципах теоретической биологии // Журнал общей биологии. 1984. Т. 45. № 6. С. 723— 731.
пМулдашев, Э.Р. В поисках Города Богов. В объятиях Шамбалы. СПб.: Нева, 2004. Т. 3. 522 с.
12Николайкин, Н.И. Экология / Н.И. Николайкин, Н.Е. Ни-колайкина, О.П. Мелехова. М.: Дрофа, 2004. 622 с. 13Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Проект, 2004. 336 с.
