Abstract
Экологическая термодинамика является одной из областей иерархической термодинамики. Применение методов равновесной (квазиравновесной) термодинамики к изучению экологических систем, как и других иерархических живых структур, связано с разделением характерных времен процессов, протекающих в живом мире.
Возможность применения классических термодинамических методов к проблемам экологии была, фактически, обоснована 1977 – 1978 годах, когда автор предложил термодинамическую теорию биологической эволюции. В последующие годы в журнальных статьях и монографиях, где обсуждались вопросы иерархической термодинамики, часто упоминалось о термодинамическом подходе к вопросам экологии. В меру своих сил автор пытался привлечь внимание к указанным проблемам молодежь. Однако это не привело к успеху.
Экологическое равновесие
В настоящей заметке представлен пример использования иерархической термодинамики в экологии.
В классическом понимании экологию определяют как науку об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и окружающей средой (средой обитания). Хотя существуют другие расширенные представления об экологии, приведенное определение, с точки зрения фундаментальной науки, по-видимому, следует считать вполне приемлемым. Можно заметить, что в последнее время начинают изучаться термодинамические аспекты экологии человека (Human ecology), исследующей взаимодействия людей и их сообществ между собой и окружающей средой.
Экологическую термодинамику интересуют системы и процессы, изучаемые экологией. Иерархическая термодинамика (феноменологическая термодинамика квазиравновесных квазизакрытых систем) на определенных временах, при постоянстве усредненных условий окружающей среды, должна позволить делать количественные оценки и предсказания на физической основе [1]. Заметим, что неравновесная «термодинамика» систем, далеких от состояния равновесие, не в состоянии исследовать экологические физически обоснованные модели. Она может, в лучшем случае, представить результаты экологических исследований только в словесной форме или в виде картинок. Широко используемое математическое моделирование поведения экологических систем также отдаляет нас от понимания природных явлений на естественнонаучной основе.
Следуя простому описанию термодинамики формирования (развития) иерархических живых структур, представленному, например, в заметке [2], характеризуем некоторые термодинамические взаимодействия в экологической системе.Выделим территорию, где обитают различные популяции и сообщества организмов в заданной (практически постоянной) среде обитания. Такую среду обитания можно считать физическим термостатом выделенной системы. В таких условиях в группах однотипных организмов – «элементарных группах» (группах организмов индивидуальных популяций, содержащих достаточно большое количество особей) равновесия между ними (организмами) устанавливается сравнительно быстро. Другими словами, в этом случае t1 (время достижения равновесия в «элементарной группе») мало. В то же самое время, равновесия между группами разных популяций (т.е. группами, содержащими различные организмы) устанавливаются значительно медленнее. Другими словами эти равновесия устанавливаются на сравнительно больших временах (t2), адаптация «элементарных групп» различной природы (связанная с обменом вещества и энергии между ними) – сравнительно медленный процесс. Таким образом, удельная функция Гиббса образования структур «элементарных групп» – сложных термодинамических мини-систем (часто, представляющих «элементарные объемы» общей экологической системы) достигает минимума на малых временах t1, то есть сравнительно «мгновенно». Поэтому изменение этих удельных величин (∆Ḡ*eco< 0) в процессе эволюции выделенной экологической системы объективно характеризует изменение стабильности исследуемых «элементарных групп». Такого типа модели можно создавать для эволюции разнообразных экологических систем и их подсистем. Разумеется, что при построении подобных моделей определяющую роль играет возможность разделения (посредством сильных неравенств) времен, характеризующих процессы достижения равновесий (квазиравновесий) при формировании иерархических структур: t1 << t2 .
Подобные явления достижения иерархических равновесий наблюдаются в дисперсных коллоидных и эмульсионных системах [2]. Это подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Наиболее известной многокомпонентной полидисперсной природной системой является молоко, компоненты которого находятся в тонкодисперсном состоянии. Вычисления термодинамических величин для подобных случаев общеизвестны.
Иерархическая термодинамика шаг за шагом (через взаимодействие структур смежных иерархий) оптимизирует стабильность смежных иерархий. Согласно принципу стабильности вещества (принципу обратных связей) структуры высшего уровня (например, экологического), смежного с низшим уровнем (например, популяционным) при эволюции биологического объекта становится относительно более стабильным, а структуры низшего уровня (в данном случае, популяционного) становится относительно менее стабильными. По цепочке «от иерархии к иерархии», в соответствие с термодинамическим механизмом «вперед – назад» вдоль иерархической цепи структур, происходит оптимизация максимальной стабильности всех моноиерархий полииерархической системы. Существование взаимно подстраивающихся иерархических структур, характерное для явления жизни, приводит к многочисленному многообразию внутриклеточных структур, клеток, организмов, популяций, экологических систем.
Ссылки
1. Термодинамическая теория эволюции материи. Биологическая эволюция, развитие и старение живых существ. http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/thermodynamic-theory-of-evolution-of/169m15f5ytneq/3# http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/-/169m15f5ytneq/0#knols
2. Многообразие живых объектов и термодинамика. http://knol.google.com/k/georgi-gladyshev/многообразие-живых-объектов-и/169m15f5ytneq/35
3. Sven E. Jørgensen, Brian D. Fath. Application of thermodynamic principles in ecology. http://gip.uniovi.es/docume/science.pdf Обзорная работа.
gladyshevevolution 