Фундаментальные законы природы и основные понятия экологии

Реферат

План:

1. Предмет экологии, цели и задачи ее изучения в процессе подготовки специалистов в области экономики.

2. Понятия среды обитания и экологических факторов.

3. Фундаментальные законы физики в экологии. Закон сохранения энергии.

Литература

1. Предмет экологии, цели и задачи ее изучения в процессе подготовки специалистов в области экономики.

Экология - наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. Термин был предложен немецким зоологом Э. Геккелем в 1866-1868 г.г. для определения "общей науки об отношении организмов к окружающей их среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической природы, частично - неорганической, но как те, так и другие имеют весьма большое значение для различных форм организмов, так как принуждают приспосабливаться к себе". Слово "экология" происходит от греческого слова «эйкос» - жилище, местопребывание. Экология является одновременно самой молодой и одной из самых старых естественных наук. С одной стороны, первые попытки обобщения сведений об образе жизни, зависимости от внешних условий, характере распространения животных и растений встречаются уже в трудах Аристотеля (384-322 г. до нашей эры) и Теофраста (371-280 г. до нашей эры). С другой стороны - действительно научный анализ экологических проблем стал возможен только в конце 19-го - в 20-ом веках на основе данных всего комплекса биологических наук от биохимии и физиологии до систематики, генетики популяций и теории эволюций.

Почти одновременно с классической биоэкологией и даже несколько раньше, хотя и под другим названием, возникла экология человека. В настоящее время она сформировалась в двух ипостасях - собственно экологии человека как организма и социальной экологии.

Современная экология из строго биологической дисциплины превратилась в цикл знаний, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики и даже теологии. В ней выделяют следующие основные направления:

общая экология – изучает закономерности существования и развития экосистемы.
глобальная экология – изучает закономерности существования, формирования и развития глобальной экосистемы планеты Земля – биосферы.
социальная экология - изучает закономерности взаимоотношений природы и общества.
Экология человека – изучает взаимоотношения организма человека со средой его обитания.

2. Понятия среды обитания и экологических факторов.

Основные понятия общей экологии

Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

В земных условиях существует четыре среды обитания:

Водная.
Наземно-воздушная.
Почвенная.
Тело другого организма, используемое экто - и эндопаразитами.

Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы.

Экологические факторы - отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организм.

Экологические факторы разделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы - это все, влияющие на организм элементы неживой природы: температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, химический состав водных растворов, ветер, течения, рельеф местности и т. д.

Биотические факторы - это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других видов - растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие.

Антропогенные факторы - это формы деятельности человека, человеческого общества, приводящие к изменению среды обитания других видов и самого человека, или непосредственно сказывающиеся на их жизни. Любое живое существо живет в сложном меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Отдельные экологические факторы создают комплексное воздействие на организм, которое, на первый взгляд, является абсолютно случайным и непредсказуемым. Однако в этом воздействии наряду со случайностью есть и определенные закономерности, связанные с фундаментальными законами природы, открытыми современной физикой.

3. Фундаментальные законы физики в экологии. Закон сохранения энергии

В процессе развития физики как естественной науки выявился целый ряд противоречий между причинно-следственными связями в различных явлениях материального мира. Это привело к временному условному делению объектов изучения на явления макромира, микромира и мегамира.

МЕГАМИР - мир космических скоростей и масштабов.

МАКРОМИР - мир объектов, соизмеримых с масштабом человеческого опыта.

МИКРОМИР - мир предельно малых объектов. Относится изучение элементарных частиц, входящих в состав атома.

В результате, главной задачей современной физики стало открытие законов, общих для всех этих явлений.

Одним из важнейших открытий в природе микромира оказался принцип неопределенности, в соответствии с которым одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. То есть, выяснилось, что случайность событий – это не отсутствие знания конкретной причины данного следствия, а неотъемлемое свойство материи. В то же время процессы, происходящие в микромире, подчиняются статистическим закономерностям: если при воздействии на одинаковые частицы одних и тех же сил определить местоположение и состояние конкретной частицы нельзя, то наиболее вероятное местоположение и состояние большинства этих частиц будет закономерным. В явлениях макромира эти статистические закономерности часто приобретают характер абсолютной причинно-следственной зависимости, что, однако, не исключает, а, наоборот, предусматривает возможность абсолютно случайных отклонений от этой зависимости.

Наиболее фундаментальным и разработанным законом природы является закон сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения энергии свидетельствует о неуничтожимости движения и материи, существовании взаимных превращений между видами энергии и движения, невозможности создания чего-либо из ничего. Он объясняет природу механической работы и справедлив для всех явлений природы.

Благодаря открытию закона сохранения энергии были сделаны новые ценные открытия, созданы механизмы и устройства нового типа, приведены в единую систему физические представления о мире. Закон имеет исключительное значение для естествознания, поскольку на нем основаны основные положения современной физики, химии, прочих смежных наук. Все знания о веществе, разного рода превращениях, феноменах и процессах опираются на представления о сохранении энергии. Одновременно этот закон объединяет и разные формы энергии: лучистую, ядерную, электромагнитную, механическую, химическую, тепловую и т.д.

Закон этот неукоснительно соблюдается во всей бесконечной Вселенной. Замедление времени, искривление пространства, сверхтекучесть и сверхпроводимость, а также прочие физические «штучки», нарушающие привычные представления о мире, на закон сохранения не распространяются. Он универсален. Если какие-то расчеты показывают, что энергия берется из ниоткуда или уходит в никуда, значит они просто неверны. Закон сохранения при всей своей простоте непоколебим и категоричен. Исключений из него не существует и не может существовать даже чисто предположительно!

Невозможно представить себе случай, когда закон сохранения не действовал бы. Материя пребывает в движении, которое выражается в переходах энергии из одного состояния в другое. Поэтому, если бы случилось нечто фантастическое, и закон сохранения энергии перестал бы работать, это означало бы исчезновение материи и Вселенной.

Обобщенная форма закона гласит: Внутри замкнутой системы энергия передается от одного тела к другому, претерпевая превращения и принимая новые формы. Количество ее всегда остается неизменным.

При этом системой называется совокупность объектов (предметов и/или явлений), объединенных единым процессом.

Если процесс обратимый или циклический - система замкнутая. Все материальные системы, как естественного природного происхождения, так и созданные человеком, в той или иной степени взаимодействуют с внешними по отношению к системе объектами, то есть являются открытыми и составляют вместе с этими «внешними» объектами более сложную систему или надсистему, по отношению к которой будут являться подсистемой. Процесс, объединяющий компоненты в элементарную систему может быть и необратимым. Например: система, состоящая из органического вещества – целлюлозы (спичка) и кислорода, объединенных необратимой химической реакцией (горения) превращения их в углекислый газ, минеральные соли и пары воды. Такая система, образованная необратимым процессом, будет называться незамкнутой. Однако процесс, необратимый в рамках данной элементарной системы, может оказаться обратимым в рамках одной из надсистем более высокой иерархии. А так как все процессы, в какой бы форме они ни протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми. Смысл закона заключается в том, чтобы следить за приходом и расходом энергии внутри выбранной системы. Энергией называется способность какого-либо тела или системы совершать работу. Известно, что работа в физике — это действие приложенной к телу силы на каком-то отрезке пути А = FS (F – сила, S - расстояние, А - работа).

Частный вариант закона — для механики — утверждает, что полная механическая энергия всех тел системы остается неизменной.

Тела взаимодействуют друг с другом механически (как шестеренки в часах) и при этом передают друг другу энергию. Передача ее и взаимодействие такого рода называется механическим процессом. Не участвующие в процессе тела, если они как-то иначе влияют на систему, изменяют ее энергию. Но тела внутри системы этого не могут: количество энергии постоянно при чисто механическом процессе.

Для объяснения смысла закона сохранения механической энергии обратимся к связи между работой и потенциальной энергией.

Выделяют два основных вида энергии: потенциальную и кинетическую. Потенциальную энергию тело или система приобретают в результате работы, совершенной против действия какой-либо силы. Например, для того чтобы тело приобрело потенциальную энергию, его нужно поднять на определенную высоту, т. е. совершить работу против силы тяжести.

Кинетическая энергия приобретается в процессе движения тел или систем обладающих массой и зависит от скорости этого движения

Такой энергией обладает брошеный камень. Можно сказать, что кинетическая энергия есть энергия движущегося тела.

Энергия означает способность тела или системы совершать работу. Пока тело (система) не совершает никакой работы, его энергия переходит из потенциальной в кинетическую, и - наоборот, — до бесконечности (пример: идеальный маятник)

Но любое взаимодействие порождает расход энергии тела. Кинетическая энергия уменьшается, переходя в работу, то же самое может произойти и с потенциальной энергией. Полная энергия тела или системы тел, как несложно понять, равна сумме их кинетической и потенциальной энергии.

Поэтому как бы ни менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Именно это и утверждает закон сохранения механической энергии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, которая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Нет такого механизма, который бы давал «выигрыш» работе. Нельзя из бензобака получить больше энергии, чем там есть! Нельзя извлечь больше энергии из атомного реактора, чем это возможно.

Потенциальная и кинетическая энергия могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой, атомной. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую работу и/или тепловую энергию, т. е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии в другую форму: через тепловую форму энергии или через тепловую энергию и механическую работу. В связи с вышесказанным закономерности превращения тепловой энергии в другие формы энергии и работы носят всеобщий характер. Этим объясняется революционное научное значение законов термодинамики – науки, изучающей тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах.

Природа тепловой формы энергии.

Все вещества и тела состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, соответственно, каждая молекула в процессе движения приобретает определенную, в зависимости от своей массы и скорости беспорядочного движения, кинетическую энергию. Поэтому, даже если само тело находится в покое и имеет нулевую потенциальную и кинетическую энергию, оно обладает внутренней энергией, связанной с движением атомов и молекул. Суммарная кинетическая энергия молекул вещества и представляет собой тепловую (внутреннюю) энергию этого вещества или тела. Если мы изменим, состояние системы и заставим атомы и молекулы двигаться более интенсивно, мы говорим, что добавили в систему тепловой энергии, увеличивая ее внутреннюю энергию.

В 18-м веке инженерная мысль открыла возможность превращения тепла в механическую работу. Согласно одному историческому анекдоту, Дж. Уатт создал первую паровую машину, увидев прыгающую крышку на кастрюле с кипятком. Он построил автоматическое паровое устройство для непрерывной работы, основными частями которого были поршневой цилиндр и устройство для периодического выброса отработавшего пара. Паровые машины оказались чересчур прожорливыми, неэкономными в плане расхода топлива. Их эффектность оказалась сравнительно невелика, да и точного способа измерить ее у физиков в распоряжении не имелось. С целью совершенствования тепловых машин проводились исследования работы пара, что привело к возникновению нового направления в физике: термодинамики.

Термодинамика (греч. «терме» — тепло, «динамис» — сила) — физическая наука, изучающая тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах. Перенос вещества, передача энергии, выделение или поглощение теплоты сопровождают самые разнообразные природные феномены, среди которых можно назвать химические реакции, обмен веществ в живых организмах, излучение, изменение агрегатного состояния, механические реформации и т. д. Всеми этими процессами, их энергетической стороной занимается термодинамика. Термодинамика отвечает на главные вопросы, связанные с протеканием и самим существованием природных процессов.

Во-первых, возможен ли рассматриваемый процесс при определенных условиях. Во-вторых, в каком направлении станет развиваться реально существующий процесс при изменении условий. В-третьих, каково будет завершение этого процесса. Конечная стадия известна физикам заранее — это тепловое равновесие. Термодинамика устанавливает, как тело (система) приходит к тепловому равновесию. Великий А. Эйнштейн писал: «Классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убежден, что в рамках применимости своих основных положений она никогда не будет опровергнута». Термодинамика обладает фантастическим охватом. Она затрагивает буквально все, что только происходит в мире.

Можно сказать, что термодинамика изучает тепло и энергию как формы движения материи. Эта физическая дисциплина основана на «трех китах» — трех законах, которые носят название начал термодинамики, поскольку определяют всеобщие свойства материи и ее движение. Три начала термодинамики справедливы для всей Вселенной, они управляют процессами, событиями, превращениями, живой и неживой природой, самим ходом времени и свойствами пространства. Каждый из этих законов касается какого-либо свойства движения энергии.

Первое начало касается процесса энергообмена, его количественной стороны. Оно указывает, сколько энергии участвует в превращениях, на что она расходуется и как переходит от тела к телу.

Сообщенное телу (или системе) количество теплоты увеличивает внутреннюю энергию этого тела и заставляет его совершать работу. При этом работа не может превышать количество сообщенной телу тепловой энергии, т. е. «вечный двигатель первого рода» невозможен.

Второе начало указывает направление движения энергии: от каких тел, в каком соотношении, через какие формы. Основные положения второго начала термодинамики формулируются следующим образом:

Тепловая энергия передается только в одном направлении – от теплого к менее теплому.

Превращаться в работу может только часть тепловой энергии, передаваемой от теплого к холодному. То есть главным условием работы тепловой энергии является не источник тепла («нагреватель»), а «холодильник».

Следствиями этих положений являются:

а) полное преобразование любой формы энергии в работу или другую форму энергии, за исключением тепловой, невозможно; часть энергии обязательно теряется в форме тепла.

б) совершение работы за счет внутренней энергии замкнутой системы возможно только при неравномерном распределении этой энергии внутри системы.

С целью увеличения К.П.Д. тепловых машин были предприняты теоретические исследования работоспособности идеальных закрытых тепловых систем, т. е мысленных систем, полностью изолированных от возможности обмена энергией с внешней средой, общее количество внутренней энергии которых не может измениться. В результате этих мысленных экспериментов были сделаны следующие выводы, также ставшие основными положениями второго начала термодинамики:

Невозможно использовать для работы внутреннюю энергию вещества путем его охлаждения, так как даже если энергия, потраченная на работу по охлаждению (работу «холодильника») будет равна отдаваемому веществом теплу (идеальный случай), в полезную работу может быть преобразована только часть этого, отданного веществом тепла. Следовательно, реализация проектов, предлагающих использовать внутреннюю тепловую энергию природных объектов (например водоемов) путем их охлаждения – проекты вечного двигателя второго рода – невозможна.

Работоспособность замкнутой закрытой системы, не смотря на сохранение исходного количества внутренней энергии, неизбежно снижается до нуля. Другими словами, внутренняя энергия системы необратимо обесценивается, хотя никуда и не исчезает.

Для определения меры этого необратимого обесценивания энергии было введено новое физическое понятие – энтропия.

Представьте себе замкнутую изолированную тепловую систему в виде химически однородного предмета, одна часть которого значительно теплее другой его части (допустим: +900 – одна часть, и +450 – другая часть), полностью изолированного от какого бы то ни было теплового обмена с окружающей средой. Данное неравномерное распределение тепловой энергии внутри системы (предмета) на молекулярном уровне можно себе представить как упорядоченное распределение молекул вещества в зависимости от скорости их беспорядочного движения. Молекулы с высокой скоростью движения и соответственно более высокой кинетической энергией сосредоточены в одной части системы (предмета), а молекулы с низкой скоростью и энергией – в другой. В силу беспорядочного движения и неизбежных столкновений и тех и других молекул друг с другом между ними идет постоянный обмен частью кинетической энергии, в результате которого скорость движения и кинетическая энергия одних молекул повышается, а других понижается, то есть идет передача энергии от теплой части предмета к холодной. Часть этого тепла в соответствии со вторым началом термодинамики может быть использована в работе. Но, по мере того как разница температур между частями предмета уменьшается, распределение тепла внутри системы становится все более равномерным, и количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени от теплой части предмета к холодной, становится все меньше, способность внутренней энергии системы совершать работу снижается. Когда разница в тепловой энергии между частями системы полностью нивелируется, продолжение работы станет невозможно, так как, хотя общее количество энергии в системе не изменилось, переход энергии от теплого к холодному прекратился. В условиях тепловой однородности системы (предмета) скорость движения молекул не может быть одинаковой в силу передачи части энергии одних молекул другим при неизбежных столкновениях. В то же время в силу беспорядочного, случайного непредсказуемого характера движения молекул наиболее вероятным является статистически равномерное распределение внутри системы (предмета) молекул с разной скоростью движения и кинетической энергией.

Таким образом, наиболее вероятным, а значит, и устойчивым состоянием изолированной (закрытой) замкнутой тепловой системы является максимально беспорядочное движение молекул, что приводит к равномерному распределению внутри системы тепловой энергии и невозможности использования этой энергии в работе.

В качестве другого примера представим себе две соединенные трубкой емкости с двумя разными газами, допустим, водородом и азотом. Такое состояние является наименее вероятным и потому неустойчивым, но зато высокоупорядоченным. При равенстве температур оба газа постепенно распределятся равномерно во всей системе, так как это состояние наиболее вероятно и устойчиво.

Таким образом, понятие энтропии, отражавшее абстрактный умозрительный процесс «деградации и обесценивания» энергии становится отражением реального процесса перехода систем от неустойчивого упорядоченного состояния с неравномерным распределением энергии к устойчивому беспорядочному состоянию с равномерным распределением энергии. С учетом всеобщности и фундаментальности закона сохранения и превращения энергии, энтропии можно дать определение как меры перехода системы от упорядоченного состояния к хаосу, или меры беспорядка в системе.

Следовательно, третьим основным положением второго начала термодинамики будет:

В замкнутых закрытых системах энтропия неизбежно возрастает или остается на максимальном уровне. Другими словами, любая закрытая упорядоченная система неизбежно стремится к беспорядку.

Законы термодинамики носят статистический вероятностный характер и не отрицают возможности случайного формирования более упорядоченного состояния системы. Именно в условиях максимально беспорядочного непредсказуемого поведения движущихся частиц и квантов энергии максимально высока вероятность их случайного временного неравномерного (упорядоченного) распределения. Так, в нашем примере со смесью газов, в силу беспорядочного непредсказуемого движения молекул, всегда есть вероятность их временного неравномерного распределения между сосудами. Так как это состояние маловероятно, а значит неустойчиво, молекулы быстро распространятся опять по всему объему и система вернется к равновесию и максимальной энтропии. Такие случайно возникающие временные зоны упорядоченности в равновесных системах называют флуктуации. В замкнутых закрытых системах флуктуации всегда носят временный характер, так как в соответствии с законом возрастания энтропии случайно образовавшаяся зона упорядоченности и неравномерного распределения энергии неизбежно переходит к равномерному распределению энергии и максимальному беспорядку.

Однако, рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жидком состоянии, хотя должна была уже несколько миллиардов лет тому назад перейти в пар — состояние с максимальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она взаимодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой являются всего лишь отдельными телами. И эти тела ничем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкретных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем веществами и/или энергией невозможно. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для элементарных систем, являющихся ее составной частью, (подсистем) и одновременно подсистемой (составной частью) для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.

Равновесие замкнутых открытых систем

При определенных параметрах обмена энергией и/или веществами в замкнутой открытой системе за счет этого обмена упорядоченное состояние и неравномерное распределение энергии может сохраняться неопределенно долго. Рассмотрим тот же пример с неравномерно нагретым предметом только в качестве не изолированной, а открытой системы. Представим себе, что в силу этой открытости, к более теплой части предмета постоянно поступает определенное количество тепла, а вся система в целом отдает определенное количество тепла в окружающую среду. Допустим, что количество тепла, получаемое системой, эквивалентно тепловой энергии, переходящей от теплой части предмета к холодной, и количеству энергии, отдаваемому всей системой среде. В этих условиях, несмотря на постоянный переход энергии внутри системы от теплой части к холодной, неравномерное распределение энергии в системе будет сохраняться, а, значит, сохранится и работоспособность системы. (По сути, мы получили упрощенную схему тепловой машины, например паровой, в которой непрерывно сжигаемое топливо подает в систему новые порции тепла, а выбрасываемый в окружающую среду отработанный пар отдает свое тепло этой среде.) При этом, поскольку переход энергии от теплой части системы (предмета) к холодной не прекращается, также непрерывно идет и процесс выравнивания распределения энергии и возрастания энтропии в системе. Вот только за счет обмена тепловой энергией с внешней средой также непрерывно идет процесс восстановления неравномерного распределения энергии и уменьшения энтропии. Если процессы увеличения и уменьшения энтропии в системе будут эквивалентны, общая энтропия системы изменяться не будет, и степень упорядоченности системы не изменится. Такое состояние системы, в котором суммарное изменение энтропии равно нулю, называется стационарным и является неустойчивым, так как изменение любого из параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе.

Самым устойчивым будет состояние при минимальном значении термодинамических функций. Иными словами. тела должны прийти в тепловое равновесие. Поэтому вода не может все время быть плавящимся льдом или все время кипеть, хотя именно в этих температурных точках нарастает ее энтропия. Зато между точками кипения и плавления находится жидкое состояние, которое обладает достаточной беспорядочностью (в сравнении с льдом) и не стремится к большему беспорядку в конкретных условиях.

Так же, отапливая зимой комнату, мы не увеличиваем внутреннюю энергию помещения, которая постоянно уходит в процессе теплового обмена с наружной средой, а поддерживаем постоянную температуру, то есть неустойчивое состояние. Энтропия обогреваемого помещения не максимальна и не постоянна, но ее постоянное изменение во времени равно нулю. Вернемся к примеру с двумя соединенными емкостями, заполненными смесью азота и водорода и подогреем одну емкость и охладим другую. В результате, из-за разницы температур, в одной емкости будет больше водорода, а в другой азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию мы можем оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии универсума сегодня.

Изменение параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе и выходу системы из сложившегося состояния равновесия. Система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия и восстановление состояния с минимально возможной при данных новых условиях энтропией. Структурная особенность системы, позволяющая сохранять и восстанавливать свою упорядоченность в определенном диапазоне меняющихся условий, называется аттрактором, а само равновесие динамическим. Изменение внешних условий может смещать динамическое равновесие как в сторону процессов уменьшения энтропии, так и в сторону увеличения энтропии.

Допустим, мы повышаем температуру одного сосуда, не изменяя температуры второго. Соотношение молекул разных газов в каждом сосуде изменится, но неравномерность распределения этих газов между сосудами будет сохраняться, не смотря на общее увеличение энтропии в системе. В то же время, повышая температуру одного сосуда и одновременно понижая температуру другого, мы можем добиться максимального разделения смеси газов, то есть состояния с минимальной энтропией в системе. Однако это состояние будет чрезвычайно не устойчивым, так как малейшее смещение разности температур приведет к уменьшению упорядоченности в распределении молекул. Достигаемое в рамках аттрактора новое неустойчивое равновесие, однако, неизбежно ведет к общему увеличению энтропии или в самой системе (увеличение порядка в одной части системы сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в другой части системы) или в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В примере с двумя сосудами мы не можем, нагревая один, не повышать одновременно температуру окружающего систему воздуха, конвекция которого рано или поздно нарушит эквивалентность охлаждения второго сосуда нагреву первого. То есть, повышая упорядоченность созданной нами системы, мы увеличили энтропию (беспорядок) в окружающей среде (надсистеме), что становится фактором, выводящим нашу систему из стационарного состояния.

Человечество — это живая динамическая система, часть биосферы. А любая система потенциально содержит в себе как порядок, так и его противоположность - беспорядок. Человеческое сообщество, развиваясь, снижает меру своей неупорядоченности через постепенные реформы или быстрые революции, достигая все большей организации, регламентации и управляемости. Казалось бы, это очень хорошо. Да, если бы не один вопрос: а куда же девался внутренний беспорядок?

Об этом редко кто задумывается, а зря. Дело в том, что беспорядок, отрицательная сторона деятельности людей по улучшению своей жизни, не исчезает «в никуда», а просто перекладывается в другое место и, представьте себе, может вернуться обратно с совершенно неожиданной стороны. Вот небольшой бытовой пример. Ваша квартира сияет чистотой, вы навели в ней полный порядок. А беспорядок? Вы его выкинули: мусор, грязь и пыль — на помойку, мыльную воду и химические чистящие средства — под ближайший куст или, через канализацию, в реку. А тараканов прогнали к вашим же соседям. Потом вы будете пить воду из этой речки, есть ягоды с того же куста и снова знакомиться со своими тараканами, когда их прогонит ваш сосед.

Всегда при уменьшении энтропии в данной системе лишний беспорядок «выкидывается» вовне, тем самым энтропия внешнего мира увеличивается. Производственная деятельность людей увеличивает беспорядок в биосфере: состояние окружающей среды ухудшается.

Так возникает определенное противоречие между развитием общества и генерируемым им беспорядком. Это происходит при взаимодействии системы «человек - среда». Это происходит на внутригосударственном уровне: чем больше упорядочено «наверху», тем больше беспорядка внизу. Это происходит и на международном уровне: для поддержания своей структуры общество (государство) скидывает на другие государства «негатив» — социальную напряженность, избытки вещества, отходы и избыточную энергию — в виде подавления соседей и создания беспорядка у них. Какого порядка добились в СССР и Германии к концу 30-х годов прошлого века! И чем он обернулся для мира? Громадным беспорядком — Мировой войной.

Синергетика – наука о зарождении порядка из хаоса

Несмотря на беспорядочное движение частиц, атомов, молекул в природе нет и не может быть абсолютного равновесия.

В чем, кстати, легко убедиться на простейшем эксперименте. Если смешать шары двух цветов в коробке и частым встряхиванием довести эту физическую систему до полной энтропии, то в любой части коробки окажется одинаковое число шаров обоих цветов. Это и будет равномерное распределение.

Однако при увеличении числа шаров будет расти и случайность их распределения в отведенном пространстве. Если довести их количество до одной или нескольких тысяч, то легко будет обнаружить методом взятия пробы в любой части коробки некоторую разницу в количестве шаров.

Например, можно найти один лишний шар, который будет образовывать пару с другим. Пара — это уже система, упорядоченность. Число шаров в пределах 10—100 тыс. даст большое количество пар. Именно таким образом случай, определяющий вероятностный характер энтропии, приводит к самопроизвольному возникновению отдельных упорядоченностей среди сплошного хаоса.

В работах величайшего ученого 20-го века И. Пригожина доказывается: при определенных условиях уменьшение энтропии в случайной зоне упорядоченности за счет притока вещества и энергии извне может превысить ее внутреннее увеличение. Появляется неустойчивость внутреннего состояния, что повышает вероятность новых флуктуаций. Так, из хаоса могут возникать структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Еще раз вернемся к примеру с сосудами и смесью газов. Случайно возникающие флуктуационные потоки теплого воздуха все чаще выводят нашу систему из упорядоченного состояния. Все больше молекул за счет увеличивающейся скорости оказывается в трубке на пути от холодного сосуда к теплому (упорядоченность стала меньше – энтропия выросла). При этом молекулы с более высокой скоростью оказываются ближе к теплому сосуду, чем молекулы с меньшей скоростью (возникла новая зона упорядоченности – флуктуация). В результате, в трубке между сосудами возникает новая зона упорядоченности: линейно изменяющееся соотношение быстрых и медленных молекул одного и другого газа, а значит, и температура трубки будет понижаться с линейной закономерностью от теплого сосуда к холодному. Какой будет эта линейная закономерность? Наиболее вероятной будет та, при которой нагревание воздуха вокруг системы будет наиболее равномерным, и, следовательно, вероятность непредсказуемых флуктуационных потоков воздуха, выводящих систему из упорядоченного состояния, уменьшится. Таким образом, при увеличении беспорядка в системе возникла новая упорядоченная подсистема, позволяющая поддерживать неравномерное распределение газов между сосудами, нарушенное флуктуациями в окружающей среде. При этом из множества вариантов линейной упорядоченности в этой подсистеме естественным путем отбирается не та, что делает всю систему максимально упорядоченной с максимальным разделением газов, а та, что при сохранении определенной степени разделения сводит к возможному минимуму флуктуации внешней среды, способные нарушить эту упорядоченность. То есть, из множества возникающих в хаосе систем, сохраняется та, чей выброс энтропии во внешнюю среду минимален. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы. При этом энтропия системы убывает. Внешнее воздействие на стационарную систему может нарушить сложившуюся упорядоченность, что приведет к повышению вероятности флуктуаций в системе. Причем, если сила внешнего воздействия такова, что система не может восстановить стационарное состояние на новом уровне, система выходит из зоны аттрактора и переходит в зону или состояние бифуркации, характеризующееся резким увеличением энтропии, а значит, и вероятности флуктуаций. В результате этих флуктуаций система может эволюционировать в новое стационарное состояние с обновленной более упорядоченной структурой, позволяющей сохранять зону аттрактора (стационарное состояние) при тех же внешних воздействиях, которые вывели из нее предшествующую систему. Однако увеличение порядка в наблюдаемой нами системе сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В результате увеличения энтропии в надсистеме в свою очередь растет вероятность флуктуаций и формирования на их основе упорядоченных стационарных структур, а также и число и разнообразие факторов, способных вывести наблюдаемую систему из ее уже качественно нового стационарного состояния вновь в состояние бифуркации. Таким образом, во всех природных системах (начиная со Вселенной, наиболее глобальной из известных науке, для которой все остальные являются подсистемами различного иерархического уровня) идет постоянное чередование стационарного состояния и состояния бифуркации. В результате состояния бифуркации отдельные системы могут полностью разрушаться или за счет флуктуаций эволюционировать в более сложные и преобразовываться в структурно новые системы большей упорядоченности и меньшей энтропии. То есть, идет непрерывный процесс совместной эволюции (коэволюции) всех систем в направлении формирования структур, позволяющих сохранять стационарное состояние, несмотря на рост разнообразия и силы воздействия факторов, выводящих систему из этого состояния. При этом целью эволюции и естественного отбора является сохранение устойчивости надсистемы или более глобальной системы в целом, а не максимальная устойчивость отдельной упорядоченной структуры. В результате формируются системы, сохраняющиеся в стационарном состоянии все более длительное время и все реже переходящие в состояние бифуркации. Так, возникновение, а затем формирование все более сложных и устойчивых форм жизни сопровождалось ростом химической и физической стабильности внешних геосфер Земли. Для понимания процесса эволюции природных систем необходимо учитывать, что в основе эволюции лежит случайность флуктуаций и, следовательно, в состоянии бифуркации прогноз направления дальнейшей эволюции и преобразования системы невозможен. Тем же случайным характером флуктуаций обусловлен необратимый и неповторимый характер эволюции природных саморегулирующихся систем. Иерархический порядок природных систем, при котором каждая малая система является частью крупной, приводит к тому, что по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы на новых ступенях иерархической лестницы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип получил название эмерджентности. Суть его: свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами.

Теория возникновения и самоорганизации и эволюции упорядоченных структур из хаоса получила название синергетика. При этом только хаос, случайность могут привести к возникновению упорядоченных структур, и только случайные флуктуации могут обеспечить эволюцию стационарной системы в ответ на такие же непредсказуемые внешние воздействия.

Выводы синергетики и законы термодинамики, закономерности сохранения устойчивости экосистем заставляют пересмотреть сложившиеся представления о прогрессе и эффективности:

прогрессивной является та система, которая обладает наибольшей устойчивостью в данных условиях, что не всегда связано с усложнением структуры системы;

устойчивость системы обеспечивается не максимальной продуктивностью и аккумуляцией энергии (то есть, ни максимальным К.П.Д. и «производительностью труда») на том или ином пищевом уровне, а оптимальным распределением энергетических и вещественных ресурсов между всеми компонентами системы, позволяющим эффективно реагировать на изменения внешних условий;

так как стационарное состояние сложной открытой системы обеспечивается множеством чисто случайных факторов, любые действия направленные на еще большую упорядоченность отдельных элементов системы, приведут к нарушению стационарного состояния и возрастанию энтропии. Отсюда делается вывод, что управление сложными самоорганизующимися системами невозможно.

Основная литература:

Вахненко, Д.В. Биология с основами экологии: учебник для ВУЗов. - Ростов – н/Д.: Феникс, 2013 (возможно использование предыдущих и последующих изданий).
Губарева, Л.И., Мизирева, О.М., Чурилова, Т.М. Экология человека: практикум для вузов. – М.: ВЛАДОС, 2013.
Коробкин, В.И., Передельский, Л.В. Экология.: - Ростов – н/Д Феникс, 20014 (возможно использование предыдущих и последующих изданий).
Розанов, С.И. Общая экология. – СПб.: Лань. 2013.

Дополнительная литература:

Алексеев, В.П. Становление человечества. - М.: Политиздат, 1984.
Алексеев С.В., Пивоваров Ю.П. Экология человека. – М.: ГОУ ВУНМЦ М3 РФ, 2001.
Анастасьева Л.П., Гольнева, Д.П., Короткова, Л.С. Человек и окружающая среда. — М.: Просвещение, 2007.
Анучин, В.А. Географический фактор в развитии общества. - М.: Мысль, 1982.
Асланов, Л.А. Культура и власть. Философские заметки. – М., 2001.
Кемп, П., Армс, К. Введение в биологию.: - М.: Мир, 1988.
Медников Б.М. – Дарвинизм в 20-м веке. - М., Сов. Россия, 1985.
Маркович, Д.Ж. Среда человека, предвидимое будущее. — М.: Мысль, 1990.
Милов, Л.В. Великорусский пахарь и особенности русского исторического процесса. – М.: РОССПЭН, 2011.
Моисеев, Н.Н. Заслон средневековью (Экология в современном мире). – М.: 2003
Осипова-Дербас, Л.В. Эволюция цивилизации. СПб., 2002.
Паршев, А.П. Почему Россия не Америка. – М.: 2003.
Реймерс, Н.Ф. Экология. — М., 1994.
Философия современного естествознания: Учебное пособие для вузов. – М.:ФАИР-ПРЕСС, 2004.
Фоули, Р. Еще один неповторимый вид. Экологические аспекты эволюции человека: - М.: Мир, 1990.
Харрисон с соавт. Экология человека. Часть 5 в кн. Биология человека.— М.: Мир, 1989. С.229-595.
Чернов, Н.М., Былова, А.М. Экология. — М., 1988.

Фундаментальные законы природы и основные понятия экологии