|
|
Страница 79 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаЧасто встречаются объяснения, что Солнце посылает на Землю некую “ценную” энергию, так как его излучение есть кванты. При этом упоминается свободная энергия и негэнтропия. Но, простите, в неадиабатических процессах энергия квантуется всегда и везде – квантовый характер не есть специфическое отличие солнечного света. Об особенностях свободной энергии было подробно объяснено в предыдущих параграфах, поэтому ссылаться на неё нечего. Негэнтропия жизни не нужна, так как жизнь есть рост энтропии. Всё намного проще, чем привычные, якобы, объяснения. Химико-электрическая энергетика метаболизма, использующая внутреннюю энергию, накопленную в химических связях веществ – “пищи”, имеет общее и отличное от фотосинтезирующей энергетики растений. Общее – цикл запасание энергии в форме химических связей в АТФ, включающий в себя энергию электрического поля как обязательную промежуточную составляющую. Отличное – излучение Солнца как первичный источник энергии для фотосинтеза с участием АТФ. Солнце как внешний источник энергии для живых систем поставляет на Землю термически равновесное излучение. Средняя температура Земли намного меньше температуры излучения Солнца. Поэтому для фотохимической энергетики метаболизма второе начало термодинамики не может создавать принципиальных препятствий. Однако должны быть учитывающие его детали протекания процессов преобразования энергии. Химическая составляющая фотосинтеза происходит на основе циклов, включающих в себя конкретные потенциалы (рис. 6.5). Им соответствуют дискретные частоты переходов между энергетическими уровнями в молекулах. Термодинамически равновесное излучение должно сопрягаться с этой дискретностью. Конкретно это выражает селективное поглощение из полного спектра излучения Солнца только тех квантов, которые имеют дискретные значения частот, заданные свойствами молекул в виде значений i .
В цикле Карно (как было подробно объяснено выше) механическая работа получается с участием преобразований энергии (функции состояния системы). При этом через тепловую машину должен пройти поток тепла (которое не есть функция состояния системы). Аналогичное связывает между собой равновесное тепловое излучение Солнца и химико-электрические циклы фотосинтезирующей энергетики. На рис. 6.8 показан спектр равновесного излучения Солнца и спектры поглощения веществ, ответственных за разные варианты фотосинтезирующей энергетики. Максимумы спектров поглощения у них близки к максимуму спектра излучения Солнца. На сегодняшнем уровне эволюции жизни наиболее распространённые и эффективные среди них – хлорофиллы. Обратите внимание на дополнительные максимумы их спектра поглощения, сдвинутые к инфракрасной области спектра излучения Солнца (в зону ~650 нм). Они отражают существование вблизи этой длины волны ловушки – активного центра химических реакций. Ему соответствует конкретная величина i (дискретная энергия кванта).
Равновесное тепловое излучение Солнца, участвуя в циклическом процессе, преобразовало свою энергию в химическую энергию. Цикл Карно в этом не участвует. Это химико-электрический цикл. Источник его энергии – монохроматические кванты с дискретной частотой R . Разность энергий поглощённых квантов и квантов, работающих в активном центре, зависит от того, какое именно значение частоты у них было в момент поглощения. Приближённо распределение энергии в этой разности также тепловое. Сброс энергии из хлорофилла в составе “машины” можно представить как поток тепла Qearth , передаваемый Земле. Его единственный результат – увеличение энтропии Земли. Ситуация отличается от тепловой машины и преобразования в ней тепла в механическую работу. Поток тепла, проходит через “машину”-растение. Он увеличивает энтропию-информацию, позволяя этим природе “изобрести” фотосинтезирующую “машину”. Поток тепла сам не работает. Он есть сброс “отходов” при формировании входного потока для химико-электрических термодинамических циклов. Без него химическая работа в виде реакций в активном центре (химико-электрический термодинамический цикл) была бы количественно мало эффективна. Последующие преобразования энергии изотермические. В силу пояснений в начале этой главы они не нарушают второе начало термодинамики, несмотря на отсутствие разности температур. Тривиальный поток тепла от Солнца и сопровождающий его рост энтропии – это есть первая составляющая фотосинтеза, выполняющая роль изменения информации, необходимого для реализации природой любого своего “инженерного проекта”. Но в цикле Карно поток тепла есть источник механической работы, а в фотосинтезе он только “бесполезный” сток. Естественный отбор запомнил хлорофилл как преимущественное рабочее тело для фотосинтезирующей энергетики потому, что это вещество сочетает ширину спектра поглощаемого излучения с селективностью реакций в активном центре. Такой оптимум возник как запоминание выбора из случайностей, ограниченных физико-химическими условиями. Поэтому в прошлом остались его менее оптимальные варианты. Они и сейчас работают в “тупиковых” формах жизни, например, родопсин в галобактериях (пурпурных) сильно солёных озёр. У него область поглощения приближённо так же вписывается в максимум солнечного спектра излучения. Но “размен” энергии квантов излучения менее эффективен, а потому к.п.д. фотосинтеза меньше примерно раз в десять. Запоминание случайного выбора не смогло изменить ранее запомненное рабочее тело в виде аденилнуклеотидов и их преобразований в цикле. Но детали фотосинтезирующей энергетики существенно отличаются от деталей пищевой энергетики или метаболизма автолитотрофов. Это есть выражение детерминизма возникновения и эволюции жизни. Представления о жизни как флуктуации, направленной против роста энтропии, приводят к утверждениям, что существование жизни поддерживает поток негэнтропии от Солнца. Это не так. Всё дело именно в равновесности излучения Солнца и увеличении им энтропии Земли. Энтропию безжизненной планеты поток тепла от Солнца увеличивает настолько, сколько требует поглощение этого тепла при более низкой равновесной температуре планеты. На основе поглощаемого от Солнца в единицу времени планетой части тепла Qsun с помощью интегрирующего множителя в виде его температуры sun можно определить приращение переданной планете энтропии. Оно равно: . В силу теплового баланса количество тепла после его поглощения планетой . Температура планеты много меньшая и равна earch, то есть . Соответственно . (6.14) В полном виде этот баланс должен быть дополнен теплом, поступающим из недр планеты Qg, earth. Конкретные значения температуры и энтропии планеты в нём характеризуют окончательное равновесие. Реально звезды остывают, изменяются процессы в недрах планет, а потому константы в этом равновесии изменяются и оно эволюционирует, но это есть последовательность приближённо равновесных состояний. Появление жизни (сначала на основе соединений серы) вводит в этот баланс производство энергии хемолитоавтотрофами с помощью термодинамических циклов, в которых определяющие формы энергии есть химическая и электрическая. Потом фотосинтезирующая энергетика жизни, используя равновесный поток тепла от Солнца в диапазоне видимого света и далее химико-электрические термодинамические циклы производит дополнительную энергию. Она в конечном итоге термализуется, то есть производит дополнительную энтропию. Животные живут за счёт растений. Это ещё увеличивает энтропию планеты. Рост энтропии с участием жизни сверх “неживого” предела есть главная причина высокой вероятности и высокой частоты возникновения и прогрессивной эволюции жизни во Вселенной. Даже более жёстко – обязательности возникновения жизни в определённом диапазоне физико-химических условий планетных систем. Не забываёте при этом, что множественность планетных систем во Вселенной сегодня есть достоверный наблюдательный факт. Определение – прогрессивная эволюция – означает иерархическое вовлечение в её процессе новых возможностей роста энтропии. Однако стремление к равновесию продолжает участвовать в процессах, связанных с жизнью, что отражают геологически значимые в масштабах земной коры запасы нефти, природного газа, известняков и других минералов органического происхождения, перераспределение металлов с участием бактерий. Дополнительное (сверх окончательно равновесного “неживого”) производство энтропии, которое вызывает возникновение и эволюция жизни, отражается в параметрах баланса поглощения и отдачи энергии. Например, максимум спектра излучения Земли находится в инфракрасной области длин волн. Повышение концентрации углекислоты в атмосфере сильно уменьшает её прозрачность в этом же диапазоне длин волн. Максимум спектра поступающего солнечного излучения находится в диапазоне более коротких волн (зелёная область видимого света). Углекислота на поглощение солнечного излучения влияет слабо. Такое влияние углекислоты есть изменение параметров в балансах типа (6.14). В результате тепловой баланс, а следовательно температура и энтропия Земли, зависят от концентрации углекислоты в её атмосфере (это есть широко известный парниковый эффект). Существуют и другие подобные эффекты. Например, изменение спектральных характеристик атмосферы в ультрафиолетовой области зависит от концентрации озона в атмосфере. Этот параметр сильно изменяет долю ультрафиолетового излучения Солнца, достигающую поверхности Земли. По величинам энергии этот вклад невелик, но его влияние на условия существования наземных форм жизни может быть критическим из-за негативной чувствительности жизни к жёсткому излучению всех диапазонов частот выше видимого света. Баланс типа (6.14) (естественно, в полном, а не в сокращённом виде), есть итог, определяющий с участием жизни энтропию планеты при тепловом равновесии планеты и звезды. Он весьма сложен. Например, в последнее время появились данные о том, что, возможно, повышение средней температуры Земли по отношению к началу века вызвано не только нарушением баланса СО2 в атмосфере, но и небольшим увеличением активности Солнца и соответственно количества поступающего от него тепла. Тогда наблюдаемое повышение концентрации углекислоты может быть не причиной, а следствием потепления. Переносит энергию от Солнца к Земле не только излучение, но и выбрасываемые им заряженные частицы (солнечный ветер). Он создаёт вокруг Земли структуры, подобные тем, что возникают при обтекании шара сверхзвуковым потоком воздуха. Их параметры описывает межпланетное магнитное поле. Фактом являтся его увеличение сегодня на 40% по отношению к 1964 г. и на 230% в сравнении с 1901 г. Причиной этих изменений не может быть земная углекислота или “озоновая дыра” над Антарктидой. Важен итог баланса тепла и энергии “звезда – планета”, учитывающий все внешние и внутренние как источники тепла и энергии, так и параметры. Наблюдаемое его выражение есть осреднённая температура планеты earth , участвующая в определении величины её энтропии. Жизнь не есть флуктуация, направленная против роста энтропии. Жизнь возникла и эволюционирует потому, что это увеличивает энтропию “живой” планеты по отношению к её “неживому” аналогу. Метаболизм жизни, если она существует на планете (в том числе на нашей Земле), добавляет к энтропии составляющую, которая невозможна в неживой природе. На основе равновесного излучения и веществ в равновесных состояниях, то есть объектов, которые сами по себе уже исчерпали свои возможности для увеличения “энтропии Вселенной”, жизнь увеличивает энтропию сверх “неживых” пределов. Итогово это выражается меньшей температурой планеты, на которой существует жизнь, но одновременно большей её энтропией, чем для “неживой” планеты. С помощью каких физических законов и как жизнь обеспечивает большую энтропию планеты – определяют детали состояний и кинетики процессов на ней. Как всегда в природе, физические законы действуют так и тогда (в том числе сложно и многоступенчато), когда это разрешает (глобальный по отношению к ним) закон роста энтропии – второе начало термодинамики. Естественный отбор запомнил хлорофильную энергетику растений в частности потому, что она обеспечивает большее производство энтропии, чем, например, родопсиновая, в которой слабее эффекты термализации входного излучения. Оптимизация не есть определённая извне цель естественного отбора. Она возникает как следствие прямой или косвенной возможности большего роста энтропии. Это не исключает участия в ней путей, подчиняющихся принципу минимума производства энтропии Пригожина. На Земле фотосинтез есть главный поставщик веществ, необходимых для метаболизма жизни на химической (пищевой) основе. Детали его реализации изощрённы и сложны. В частности, они описаны в работах А.Б. Рубина (см., например его учебник [122]). Однако причина возникновения и существования фотосинтеза – второе начало термодинамики и возможности роста энтропии сверх “неживых” пределов. Не посылает Солнце на Землю поток негэнтропии. Не нуждается в нём жизнь. Второе начало термодинамики диктует её существование. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|