Термодинамика систем

Очевидно, в жизни экологических систем действуют общие термодинамические принципы и законысохранения энергии, вещества, информации. Наиболее существенны из них, видимо, следующие, формулировки которых приближены к экологическим нуждам.
Наиболее очевиден закон (принцип) энергетической проводимости: поток энергии, вещества и информации в системе как целом должен быть сквозным, охватывающим всю систему или косвенно отзывающимся в ней. Иначе система не будет иметь свойства единства. Это закон (принцип) не следует понимать слишком упрощенно и ограничиваться короткими интервалами времени. Очевидно, для любой, в том числе и экологической, системы определенного уровня иерархии длительность прохождения потока энергии, вещества и информации будет специфичной. Больше всего расчетов сделано для воды. Водообмен в биологической особи занимает часы, влаги в атмосфере (следовательно, и в аэробиосфере) — 8 дней, свободных континентальных поверхностных вод — от 16 дней в реках до 17 лет в озерах; подземные воды обновляются за 1400 лет, а воды океана за 2500 лет. Очевидно, существует характерное время транзита энергии и обмена веществ во всех природных системах мира.
Ю. Н. Куражсковский (Введение в экологию и природопользование. Ростов-на-Дону: Ростовское кн. изд-во, КПК «Кристалл», 1990. 157 с.) на с. 25 назвал закон (принцип) энергетической проводимости законом сохранения жизни: «Второй экологический закон — закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потока веществ, энергии и информации. Прекращение движения в этом потоке прекращает жизнь». Это верно. Однако движение энергии, вещества и информации необходимо не только для живого и систем с его участием, но, видимо, и для более широкого класса систем, например, многих абиотических, шире — космических, особенно на определенных этапах их существования. Даже неэксплуатируемые здания скорее приходят в негодность, чем заселенные. Видимо, это закон функционирования не только жизни, но и всех динамических систем. Само же движение энергии, вещества и информации подчинено группе закономерностей, часть которых упомянута ниже.
Закон сохранения массы: сумма массы вещества системы и массы эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. Первоначальная формулировка этого закона — масса (вес) веществ до химической реакции равна массе (весу) веществ после химической реакции, а более расширительно — масса поступающего в систему вещества минус масса выходящего из системы вещества равна массе накапливаемого в системе вещества. Если накопления или убывания вещества в системе не наблюдается, она находится в устойчивом, гоме-остатическом состоянии. Близкий к этому закон сохранения энергии, или первый принцип (закон, начало) термодинамики, гласит: любые изменения в изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной; или: при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.
В экологии особенно значим второй принцип (начало, или закон) термодинамики, имеющий множество формулировок и смысловых оттенков. Три важнейших для экологии: 1) энергетические процессы могут идти самопроизвольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную; 2) потери энергии в виде недоступного для использования тепла всегда приводят к невозможности стопроцентного перехода одного вида энергии (кинетической) в другую (потенциальную) и наоборот; результат — невозможно создать вечный двигатель 2-го рода; 3) закон возрастания энтропии: в замкнутой (изолированной в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.
В открытых системах, согласно теореме сохранения упорядоченности в них, сформулированной И. Р. Пригожиным (1955), энтропия не возрастает — она в открытых системах падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля. При этом в системе вещество распределяется неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других местах резко снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности. Деятельность же живых систем всегда негэнтропийна, пока сохраняется их свойство системности: таково индивидуальное развитие организмов, средообразующая их роль в биосфере и другие процессы в открытых системах.

Рис. 3.1. Обобщенная схема системы с механизмами накопления энергии, обратной связи и гомеостаза, обеспечивающими максимизацию потребляемой энергии, т. е. повышение шансов системы на самосохранение (Одум Г., Одум Г. Энергетический базис человека и природы. М.: Прогресс, 1978)

Все системы, с которыми приходится иметь дело экологии, негэнтропийны, упорядочены таким образом, что, по известному меткому выражению Ю. Одума, как бы «откачивают из сообщества неупорядоченность».
Это происходит до тех пор и постольку, поскольку действует принцип Ле Шателье — Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Поскольку в биосфере механизм осуществления принципа Ле Шателье — Брауна основывается на функционировании систем живого, оно, это функционирование, как постулировал В. И. Вернадский, служит основным регулятором общеземных процессов.

Как показано в ряде работ, и прежде всего В. Г. Горшкова*, действие принципа Ле Шателье — Брауна в рамках биосферы в наши дни глубоко нарушено. Если в конце прошлого века еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не обнаруживается. Наоборот, биота выбрасывает углекислый газ, а биомасса ее автоматически снижается. Поскольку биосфера имеет лишь одно устойчивое состояние, единственным способом восстановить действие принципа Ле Шателье — Брауна будет сокращение площадей антропогенно измененных земель**.
Важное значение для экологических и биолого-эволюционных процессов имеет общефизический закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера, или принцип экономии энергии: при вероятности развития процесса в некотором множестве направлений, допускаемых началами термодинамики, реализуется то, которое обеспечивает минимум диссипации энергии (или минимум роста энтропии). Очевидна прямая связь обсуждаемого закона и закона оптимальности (разд. 3.2.1).
Не менее тесно связан с другими энергетическими постулатами закон максимизации энергии и информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффектному использованию энергии и информации; максимальное поступление вещества как такового не гарантирует система успеха в конкурентной группе других аналогичных систем. Первоначально закон энергии и информации был сформулирован (Г. и Э. Одумы) как закон максимизации только энергии: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом (рис. 3.1). «С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает накопленную энергию на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов» (Г. Одум, Э. Одум. Энергетический базис человека и природы. М.: Прогресс, 1978. С. 72 — 73).
Закон максимизации энергии и информации имеет более обобщенную и краткую формулировку в виде принципа максимизации мощи: системы с мощной энергетикой вытесняют системы с более низкой энергетической «мощью». Вероятно, следует добавить «как правило», так как иногда низкоэнергетические системы имеют преимущества в силу меньшего воздействия на среду и лучшего соответствия столь же низкому энергетическому потенциалу этой среды. Видимо, следует более точно учитывать закон оптимальности (разд. 3.2.1). Например, многие примитивные и низкоэнергетические виды живого в относительно стабильной среде остаются неизменными и вполне конкурентоспособными на протяжении миллионов лет, хотя вокруг имеются так или иначе конкурирующие более, казалось бы, энергетически совершенные и более высоко организованные виды.
Обобщающим выводом из серии закономерностей энергетического ряда может служить правило основного обмена: любая большая динамическая система в стационарном состоянии использует приход энергии, вещества и информации главным образом для своего самоподдержания и саморазвития. Таково соотношение основного метаболизма и производимой организмом работы, таково положение в экосистемах и хозяйстве. Это правило нередко не учитывают и сетуют, что де государственный аппарат работает лишь на себя, промышленность делает то же и т. д. Иной ситуации при системном застое и быть не может...
В главе 2 приведена таблица «системы систем» и разобрана иерархия экосистем. Очевидно, законы сложения систем, их внутреннего развития и энергетики должны подводить к формированию закономерностей построения иерархии системного мира — взаимоотношений прежде всего на одном иерархическом уровне, так сказать, в третьем измерении таблицы (см. табл. 2.1). Если каждый новый уровень организации, отраженный этой таблицей, возникает как дупликация целостных подсистем, то более элементарный процесс можно ожидать и в рамках одного уровня иерархии системных образований, и тут имеется уже достаточное число системных законов, некоторые из которых в приложении к конкретным структурам оказались полу- или полностью забытыми. В канве науки сохранились лишь основные.