БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 2, с. 411-415
ДИСКУССИИ: -
УДК 574.36
СКВОЗНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЭНЕРГОВЕЩЕСТВЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ЗЕМЛЕ: ОТ ГАЗОВЫХ ВИХРЕЙ ДО ТЕХНОГЕННОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ
© 2015 г. Н.С. Печуркин, А.Н. Шуваев*
Институт биофизики СО РАН,660036, Академгородок, 50/50 E-mail: nsla@akadem.ru *Институт инженерной физики и радиоэлектроники, Сибирский федеральный Университет,
660041, Свободный пр., 79/10, Красноярск Поступила в p едакцию 21.11.14 г.
После доработки 19.01.15 г.
П редставлена идея сквозной эволюции длительной реакции планеты Земля на внешний поток лучистой энергии от C олнца. Показано, что из-за ограниченности вещества на Земле, как и на любой другой планете, непрерывная накачка потоком лучистой энергии приводит к циклизации трансформаций и переносов вещества по возникающим градиентам. Эволюция энерговещественных взаимодействий идет по пути захвата и перено са меньшим количеством вещества большего количества энергии, т.е. по пути роста количества энергии, используемого каждой единицей массы. По этому показателю наименее эффективным является простой перенос массы вещества, например вихрей газов, по градиентам температур и давлений, имевший место на первичной поверхности планеты. Особую роль в развитии взаимодействия энергии и вещества сыграл длительный естественный отбор на накопление воды на планете. Ее фазовые трансформации (лед, вода, пар) и механические переносы являются самым распространенным энерговещественным процессом. На основе водных циклов, циклических перено сов и трансформаций оказалась возможной химическая трансформация веществ, развившаяся со временем в биологическую трансформацию. Этот вид взаимодействия энергии и вещества обладает наибольшей эффективностью. В частности, при фотосинтезе «захватывается и утилизируется» энергия нашей звезды в самой активной части спектра ее излучения. В процессе биологической эволюции гетеротрофов наиболее показателен, в сотни раз, рост коэффициента, характеризующего интенсивность энергообмена: от простейших микроорганизмов до млекопитающих. Удивительно, но вполне закономерно с энергетических позиций, развитие и нынешнее доминирование человечества как энергетически наиболее активного вида по захвату энергии и осмысленной организации ее новых потоков, в частности, на основе органических остатков былых биосфер. В процессе технологической эволюции человечества показатель, характеризующий интенсивность энергообмена, для гомойотермных (теплокровных) животных возрос еще в 20 раз в пересчете на технологическую энергию, используемую «средним» жителем планеты. Таким образом, победа нашего вида в планетарной эволюции легко укладывается в магистральное направление сквозной эволюции энерговещественных отношений: многократный рост энергии звезды, использованной для трансформации вещества на поверхности облучаемой планеты.
Ключевые слова: эволюция, перенос энергии, биосфера.
Эволюция одного из основных типов фундаментальных взаимодействий - взаимодействия энергии и вещества - может быть прослежена на пример е развития нашей планеты, поверхность которой подвергается потокам энергии от Солнца в течение нескольких миллиардов лет. Важным свойством этого взаимодействия, вообще говоря, как и любой планеты со звездой, является непрерывный поток свободной энергии от звезды.
В условиях с конечным количеством вещества и бесконечным потоком энергии единст-
венным способом поглощения этого потока является организация циклических трансформаций и переносов вещества на планете. В настоящей работе перечислены возможные виды циклов с переносом энер гии в виде: механического движения, фазового превращения веществ, химической и биологической трансформации. Обсуждается различие указанных видов переноса по показателю поглощения энергии на единицу массы Е/т (удельная энергоемкость). Зная вр емя появления на Земле того или иного вида переноса, а также его теплоемкости, мож-
но сделать вывод о направлении эволюции взаимодействия внешнего потока энергии и внутренней трансформации вещества на Земле.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕНОСЫ ВЕЩЕ С ТВА И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ
При развитии планеты, на первых этапах (для Земли - 4,4 млрд лет назад), имеют место простые механические пер ено сы вещества типа газовых вихрей в атмосфере. Мы их привычно называем циклонами или антициклонами, автоматически используя корень слова - «цикл». Уже на этих этапах «работает» естественный отбор: в циклах остаются и доминир уют вещества, наиболее активно взаимодействующие механически с потоками энергии. Менее активные, легкие, типа водорода или гелия, уходят из циклов в космос, а более тяжелые - способны накапливаться в литосфере и взаимодействовать с ее элементами. Пожалуй, самым идеальным для атмосферного механического зацикливания и накопления является химически инертный молекулярный азот, в избытке присутствующий на нашей планете.
В последующем, при появлении на Земле воды (4,0-4,4 млрд лет назад), возникают и течения, которые практически постоянно переносят громадные объемы воды. Например, Гольфстрим в десятки раз мощнее всех рек суши, вместе взятых, своим теплом греет Европу и даже влияет на климат Сибир и. Менее известно антарктическое цир куляционное кольцо - главный переносчик вод из океана в океан (кроме «маленького» С евер ного Ледовитого океана).
Энергия может не только перемещать вещество, но и разрывать связи между молекулами. Е сли на планете имеет ся вещество, способное при накачке лучистой энергией изменять свое фазовое со стояние, то его взаимодействие с потоками энергии становится гораздо более энергоемким. На нашей планете таким веществом, способным к фазовым переходам в потоках энергии, лед - жидкость - пар и обратно, является вода с ее высокими значениями теплоемкости и энергетических констант фазовых переходов. Ее химическая нейтральность весьма высока, что позволяет этому веществу накапливаться и сохраняться в циклах. Механические переносы воды с учетом ее фазовых трансформаций (испарение, осадки в виде дождя и снега, оледенение и таяние) являются основным энерговещественным процессом на нашей планете.
ХИМИЧЕСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТРАНС ФОРМАЦИИ ВЕЩЕ С ТВ
На основе водных циклических трансформаций оказалась возможной химическая трансформация веществ, еще более энергоемкая в удельном проявлении.
Неорганическая эволюция предшествовала органической и биологической [1]. Биотический круговорот естественным образом формировался из химического [2]. Например, при длительном стоянии в тепле раствора формалина в нем из шести молекул формальдегида образовывалась более сложная молекула са хар а. П ро -стейший моносахарид - гликоальдегид найден даже в межзвездном пространстве [3]. Предпо-лагаемым механизмом образования является та же полимеризация формальдегида.
Цикл для переноса энергии может образовываться из-за временной смены температур. В условиях вакуума прямая реакция идет при 70 К, а реакция распада при 250 К [4]. Также изучено образование глико- и глицероальдеги-дов в водной среде [5], идущих при температурах порядка 300-340 К.
Отсюда можно заключить, что для образования цикла химического синтеза/р аспада гли-коальдегида необходимо иметь чередование температур ных и световых условий, которое, в свою очередь, может быть обеспечено вращением планеты, т.е. временным циклом.
«Венцом» химических преобразований на нашей планете стало возникновение и развитие биологических процессов. Достаточно напомнить о всепланетарном развитии фотосинтеза, способного «захватывать и утилизировать» энергию нашей звезды в самой активной части спектра ее излучения. Например, растительность суши образует ежегодно столько листьев, что ими можно было бы укрыть земной шар в несколько слоев. П ри этом, несмотря на то, что непосредственно на фотосинтез используется около 1% падающей энергии, для обеспечения взаимодействия кванта света с хлорофиллом нужно о существить подвод воды и растворенных в ней минеральных веществ вверх по стволу к зеленому листу. Это перемещение идет за счет далеко не малой энергии транспирации -испарения воды с поверхности листа. Существующая реакция фотосинтеза на основе воды возникла около 2,0-2,3 миллиардов лет назад.
Для последующего замыкания биотических циклов и обеспечения минерального питания растений необходимо активизировать процессы отмирания и минерализации растений. Этим «занимаются» многочисленные виды грибов и бактерий - редуцентов-разлагателей отмираю-
C КВОЗНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЭНЕРГОВЕЩЕСТВЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙ СТВИЙ
413
щей органики. Важнейшим этапом на пути ускорения и умощнения биотических циклов стало развитие звена хищников - прямых пожирателей живой биомассы. Сами хищники при этом становятся зависимыми от запасенной в связях энергии (не имея возможность получать ее напрямую от Солнца), начинают конкурировать. Система эволюционирует в сторону скорейшей диссипации запасенной энергии. С участием хищников биоциклы умножились и «завертелись» во много р аз быстр ее.
В разнообразнейшей эволюции структуры и функции звена хищников резко выделяется «магистральный» рост их энергоемкости [6]. Например, в пр оцессе эволюции удельный коэффициент, характер изующий интенсивность энергообмена, для гомойотермных (теплокровных) животных вырос примерно в 30 раз по сравнению с холоднокровными животными и более чем в 200 раз по сравнению с простейшими одноклеточными организмами, с которых и начинались первые эволюционные шаги.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ К РИТЕРИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ
Для количественной оценки взаимодействия вещества и энергии в биосистемах используется универсальное и очень простое энерговещественное соотношение, широко распространенное для большинства групп животных от простейших до млекопитающих, включая человека:
Е = аВк,
где Е - поток энергии, который способна захватить и использовать В - общая биомасса системы в степени, чуть меньшей единицы, коэффициент а — эффективность использования потока энергии биомассой системы. Величина коэффициента к, меньшая единицы, хор ошо со -ответствует известному закону поверхностей Рубнера, так как метаболизм соответствует массе, общему объему функционирующих
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.