THERMODYNAMIC PRINCIPLE OF BIOGEOCENOSIS STABILITY WITHIN THE LIMITS OF ITS NATURAL SELF-SUFFICIENCY

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП УСТОЙЧИВОСТИ БИОГЕОЦЕНОЗА В ГРАНИЦАХ ЕГО ЕСТЕСТВЕННОЙ САМОДОСТАТОЧНОСТИ

Научная статья

Ядрихинский И.В.*

ORCID: 0000-0002-4188-8179,

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Якутск, Россия

* Корреспондирующий автор (yadroid[at]mail.ru)

Аннотация

Биогеоценоз представляет собой систему, включающая сообщество живых организмов и тесно связанную с ним совокупность абиотических факторов среды в пределах одного природно-территориального комплекса, связанные между собой круговоротом веществ и потоком энергии. С точки зрения термодинамики, биогеоценоз представляет собой открытую систему. Обмен веществ играет в биогеоценозе лишь весьма незначительную роль по сравнению с обменом энергией. В статье рассмотрены варианты решения задачи функционального представления устойчивости биогеоценоза в границах его естественной самодостаточности (техногенно-нетрансформированного экотопа) по всем составляющим компонентам биоценоза, которые базируются на трех началах классической термодинамики: во-первых, правомерность закона сохранения энергии, устанавливающего количественные соотношения превращения (качественной трансформации) энергии из одних видов в другие (главным образом, путем взаимосвязанных процессов биохимических и тепловых); во-вторых, разнохарактерные процессы превращения (трансформирования) внутренней энергии возможны при вполне определённых условиях, характеризующих экологическую специфику конкретной сложной системы. При этом могут рассматриваться условия постоянства энтропии (при обратимых физико- и биохимических процессах), либо возрастания энтропии (в случае необратимости таких жизнеобеспечивающих процессов); в-третьих, реальный биогеоценоз, пребывающий в условиях непосредственного техногенного прессинга в метастабильном состоянии, может обнаруживать трансформацию внутренней энергии  при отсутствии термодинамического равновесия. Причем метаболизм живых организмов биоценоза предполагает такое развития биохимических процессов, которые способны поддерживать живучесть популяций в их экологически устойчивом состоянии.

Ключевые слова: термодинамический принцип устойчивости, биогеоценоз, устойчивость биосферы, экосистема, природно-техническая геосистема, Закон Ядрихинского о глобальном развитии биогеоценоза планеты.

THERMODYNAMIC PRINCIPLE OF BIOGEOCENOSIS STABILITY WITHIN THE LIMITS OF ITS NATURAL SELF-SUFFICIENCY

Research article

Yadrikhinsky I.V.*

ORCID: 0000-0002-4188-8179,

M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia

* Corresponding author (yadroid[at]mail.ru)

Abstract

A biogeocenosis is a system that includes a community of living organisms and a closely related set of abiotic environmental factors within a single natural and territorial complex connected by the circulation of substances and the flow of energy. From the point of view of thermodynamics, biogeocenosis is an open system. Metabolism plays only a very minor role in biogeocenosis compared to the energy exchange. The current article examines options for solving the problem of a functional representation of the stability of the biogeocenosis within the boundaries of its natural self-sufficiency (industrially untransformed ecotope) throughout all the components of the biocenosis, which are based on three principles of classical thermodynamics: first, the validity of the law of conservation of energy, which establishes quantitative relations of transformation (qualitative transformation) of energy from one type to another (mainly through interrelated biochemical and thermal processes ); second, different processes of transformation of internal energy are possible under quite certain conditions, which characterize the environmental specifics of a particular complex system. The conditions of entropy constancy (in reversible physical and biochemical processes), or entropy increase (in the case of irreversibility of such life-supporting processes) can also be considered; third, the real biogeocenosis, which is in a metastable state under conditions of direct anthropogenic pressure, can detect the transformation of internal energy  in the absence of thermodynamic equilibrium. Moreover, the metabolism of living organisms of the biocenosis involves the development of biochemical processes that are able to maintain the vitality of populations in their environmentally sustainable state.

Keywords: thermodynamic principle of stability, biogeocenosis, biosphere stability, ecosystem, natural and technical geosystem, Yadrikhinsky's Law on the global development of the planet's biogeocenosis.

Введение

Фундаментальные исследования, нацеленные на решение глобальных экологических проблем, носят общесистемный характер. Центральным объектом таких исследований является собственно экологическая система, которая относится к классу сложных систем. Наделенная известными признаками сложности: невозможность строгого математического описания, многозвенность структурного состава, многосвязность составляющих структурных элементов – экосистема свои специфические особенности, отличающие её от стереотипных технических систем. Вторым по значимости объектом фундаментальных исследований является «биогеоценоз» - как совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, гидросферы, литосферы, животного и растительного мира и др.), имеющая свою особую специфику взаимодействия и внутреннего диалектического единства, а также подчиняющаяся определённым закономерностям своего развития.

Материалы и методы исследований

Любая сложная природная система, объединяющая на основе естественных механизмов саморегенерации непрерывный обмен веществ и энергии, поддерживает необходимый баланс Устойчивости жизнеобеспечения популяций биоценоза в условиях конкретного биотопа. При этом совокупность живых организмов биосферы с жизнеобеспечивающими компонентами окружающей среды (атмосферы А, гидросферы - G, литосферы - L) как необходимых условий обитания биопопуляций, характеризуется мерой содержательности равновесного состояния, основой которого является внутренняя энергия биогеоценоза (I)). Эта энергия определяется составом и уровнем потенциальной защиты биогенных стимуляторов (Е_бс), обеспечивающих устойчивость собственно биоценоза, а также допустимым энерговоздействием (Е_эв) со стороны естественных факторов внешней среды А, G, L, а также воздействующих (антропогенных) факторов, оказывающих дополнительное влияние на экотоп. В общем случае внутреннюю энергию биоценоза представим в виде аддитивной зависимости:

    (1)

где,  – совокупность биогенных стимуляторов, присущих конкретному биоценозу по всем популяциям флоры  – совокупность воздействующих факторов со стороны экотопа (A, G, L).

Состав биогенных стимуляторов включает жизненно необходимые химические элементы, определяющие жизнеспособность биоценоза по его конкретным популяциям (Fl, Fn). Воздействующие факторы со стороны естественного и техногенно-трансформированного экотопа являются внешними по отношению к биоценозу, и характеризует биохимическую реакцию биопопуляций конкретной экосистемы на такие воздействия. Для условно детерминированных процессов влияния (со стороны экотопа) и восприятия (со стороны биогеоценоза) определяющих факторов, внутреннюю энергию биогеоценоза  целесообразно выразить аддитивной величиной:

    (2)

где  – значение внутренней энергии конкретного биогеоценоза для текущего момента времени , определяющее устойчивость рассматриваемой экосистемы.

С этих позиций правомерно рассматривать внутреннюю энергию биогеоценоза как функцию состояния термодинамически активной сложной техногенно-нетрансформированной (а также трансформированной) экосистемы в контексте термодинамического равновесия, как определяющего фактора устойчивого развития популяций биогеоценоза. Решение задачи функционального представления устойчивости биогеоценоза в границах его естественной самодостаточности (техногенно-нетрансформированного экотопа) по всем составляющим компонентам биоценоза базируется на трех началах классической термодинамики.

Во-первых, правомерность закона сохранения энергии, устанавливающего количественные соотношения превращения (качественной трансформации) энергии из одних видов в другие (главным образом, путем взаимосвязанных процессов биохимических и тепловых).

Во-вторых, разнохарактерные процессы превращения (трансформирования) внутренней энергии возможны при вполне определённых условиях, характеризующих экологическую специфику конкретной сложной системы. При этом могут рассматриваться условия постоянства энтропии (при обратимых физико- и биохимических процессах), либо возрастания энтропии (в случае необратимости таких жизнеобеспечивающих процессов).

В-третьих, реальный биогеоценоз, пребывающий в условиях непосредственного техногенного прессинга в метастабильном состоянии, может обнаруживать трансформацию внутренней энергии  при отсутствии термодинамического равновесия. Причем метаболизм живых организмов биоценоза предполагает такое развития биохимических процессов, которые способны поддерживать живучесть популяций в их экологически устойчивом состоянии.

Учитывая действие механизма трансформации внутренней энергии, реального биогеоценоза под воздействием внешних техногенных факторов, представляется возможным определить условие равновесия биогеоценоза в границах его естественной самодостаточности с позиции эколого-термодинамического принципа устойчивости сложной природно-технической геосистемы. Данный принцип опирается на аппарат классической термодинамики и удовлетворяет следующим постулатам:

1. Бесконечно малое изменение внутренней энергии  биогеоценоза в пределах живучести популяций биоценоза представляет собой полный дифференциал dU, поэтому интеграл:

   (3)

не зависит от процесса перехода из состояния (I) в состояние (II) и равен разности внутренних энергий биогенных стимуляторов через промежуток времени:

   (4)

Соответствующий длительности внешних антропогенных воздействий на биоценоз. Внутренняя энергия  в этом случае является функцией состояния, как отдельных биогенных стимуляторов, так и биоценоза в целом.

2. Эколого-термодинамическая модель, характеризующая состояние биогеоценоза в условиях антропогенного прессинга, опирается на энтропию по двум основным компонентам:

2.1. Энтропия (S) как мера внутренней неупорядоченности биогеоценоза с точки зрения энергоассиметричного развития процессов, характеризующих позитивные (защитные функции биоценоза) и негативные (депрессивные функции со стороны техногенных воздействий) факторы. При этом энтропия либо возрастает (для необратимых процессов деградации), либо остается постоянной (для умеренно сбалансированных процессов).

2.2. Энтропия (S) как мера неопределённости в оценке последствий для биогеоценоза (в отношении его равновесного состояния), а также для биоценоза (в отношении его естественной живучести и самодостаточности).

В эколого-термодинамической модели энтропия является аддитивной величиной и определяется как сумма частных (поэлементных) энтропий (S_i) составляющих подсистем природно-технической геосистемы в целом по совокупности (N) биоценозов:

   (5)

3. Природно-техническая геосистема относится к классу условно изолированных систем, исследование которых осуществляется на основе:

- первого начала классической термодинамики (действие закона сохранения энергии) в условиях сохранения устойчивости биогеоценоза;

- второго начала термодинамики (рост энтропии) в результате техногенного подавления механизмов саморегенерации и сохранения живучести биоценоза;

- отрицательной энтропии, связанной с мобилизационными ресурсами биоценоза (метаболизм популяций Fl, Fn) в направлении самодостаточности.

4. Живая биосфера в границах условно изолированного биогеоценоза, импортируя негэнтропию, упорядочивает экосистему, придавая ей жизнеобеспечивающую устойчивость;
5. Термодинамически активная природно-техническая геосистема в экологическом отношении обладает характеристическими функциями состояния:

- внутренней энергией биогеоценоза , которая расходуется на увеличение биопотенциала популяций;

- суммарным уровнем техногенных воздействий на биоценоз, уменьшающим его жизнеобеспечивающий потенциал пропорционально уровню депрессивного подавления со стороны антропогенных процессов.

Результаты и обсуждение

На основании вышеизложенного, приводим структурно-логическую модель, отражающая энтропийную характеристику экологической устойчивости биогеоценоза по стадиям жизненного цикла (рис. 1):

(1-2) – в границах естественной самодостаточности (области I-II);

(2-3) – в границах экологически оптимального управления антропогенными процессами в диапазоне нормативных значений техногенных нагрузок и воздействий (Т_е)_норм;

(3-4) – в границах условной устойчивости биогеоценоза с переходом его в область критического состояния (III) экологически неуправляемого техногенеза.

Рис. 1 – Энтропийная характеристика экологической устойчивости биогеоценоза в координатах «энергия биоценоза - » - «техногенная нагрузка - Т_е»:

(1-2) – рост энтропии в процессе нормативного уровня нагрузки (Т_е)_норм­; (2-3) – снижение энтропии при экологически оптимальном управлении техногенезом; (3-4) – рост энтропии при неуправляемом техногенезе

 

Внешние (антропогенные) воздействия, выводящие биогеоценоз из равновесного состояния, будут обуславливать в нем эколого-термодинамические активные процессы. Качественный характер этих процессов, связанных с изменением внутренней энергии биогеоценоза, определяется на основании принципа Ле-Шателье-Брауна. Данный принцип, известный как принцип термодинамического равновесия, гласит – «внешние воздействия, выводящие систему из состояния устойчивого равновесия, вызывают в ней ответную реакцию (процессы сопротивления), уменьшающую влияние этих воздействий».

Заключение

Разработанная модель и вышеупомянутый принцип отвечают закону единства и борьбы противоположностей, являющемуся источником диалектического развития в любых сложных системах. В данном случае, рассматриваемые природно-технические геосистемы обладают свойствами единства составляющих биогеоценоза (экотопа и биоценоза), находящихся в непрерывном взаимодействии и развитии в условиях преодоления негативных процессов, обусловленных негативным воздействием.

Благодарности Работа выполнена при финансовой поддержке ООО НПК «СахаАкадемРесурс» (Черемисин С.А., Молдаванов О.И., Новосибирск) и АНО «Якутия-2022» (Ефимов М.В., Игнатьев С.Н., Николаев А.С., Якутск, Республика Саха).	Acknowledgement The work was carried out with the financial support of research and production company "Sakhaakademresurs" LLC (Cheremisin S. A., Moldavanov O. I., Novosibirsk) and independent non-profit organisation "Yakutia-2022" (Efimov M. V., Ignatiev S. N., Nikolaev A. S., Yakutsk, Sakha Republic).
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера / В.И. Вернадский. - М.: Айрис-пресс, 2004. - 575 с.
2. Ядрихинский И.В. О значении фундаментальных исследований в решении глобальных экологических проблем / И.В. Ядрихинский // Международный научно-исследовательский журнал. — 2021. — № 4(106) Часть 2. – С. 30–35. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.106.4.030
3. Chapin F.S. Summer differences among arctic ecosystems in regional climate forcing / F.S. Chapin, W. Eugster, J.P. McFadden et al. // J. Climate. V. 13. P. (2010).
4. Kolomyts E.G. Quantitative assessment of functional stability of forest ecosystems / E.G. Kolomyts, L.S. Sharaya // Russian Journal of Ecology. Volume 46, Issue 2, 2015, Pages 117-127.
5. Jorgensen S.E. Towards a Thermodynamic Theory for Ecological Systems. Langford Lane Kidlington / S.E. Jorgensen, Y.M. Svirezhev. Oxford: Elsevier. 2004. 369 p.
6. Jorgensen S.E. Next generation of ecological models / S.E. Jorgensen, H. Mejer // Proceedings of the Work Conf. on Environment System Analysis and Management. Rome.1982. 485 p.
7. Puzachenko Yu.G. Analysis methods in environmental and geographical research / Yu.G. Puzachenko. M.: Academia, 2004.
8. Pokarzhevskii, A.D. Trophic structure of ecosystems and ecotoxicology of soil organisms / A.D. Pokarzhevskii, N.M. Van Straalen, Zh.V. Filimonova et al. // Russian Journal of Ecology. Volume 31, Issue 3, 2000, Pages 190-197.
9. Razumovsky S.M.Regularities of the dynamics of biogeocenoses: Works / S.M. Razumovsky. - M.: KMK Scientific Press, 1999.
10. Shikhova, L.N. Dynamics of organic matter content in sod-podzolic soils differ in degree of cultivation / L.N. Shikhova, O.A. Zubkova, E.M. Lisitsyn // Heavy Metals and Other Pollutants in the Environment: Biological Aspects1 January 2017, Pages 51-86 p.
11. Tsvetkov V.F. Forest biogeocenosis / V.F. Tsvetkov. 2nd ed. Arkhangelsk, 2003.267 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vernadsky V. I. Biosfera i noosfera [Biosphere and Noosphere] / V. I. Vernandsky. - M.: Ayris-press, 2004. - 575 p. [in Russian]
2. Yadrikhinsky I. V. O znachenii fundamental'nykh issledovanijj v reshenii global'nykh ehkologicheskikh problem [The Importance of Fundamental Research in Solving Global Environmental Problems] / I. V. Yadrikhinsky // Mezhdunarodnyjj nauchno-issledovatel'skijj zhurnal [International Research Journal]. — 2021. — № 4(106) Part 2, pp. 30-35. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.106.4.030 [in Russian]
3. Chapin F.S. Summer differences among arctic ecosystems in regional climate forcing / F.S. Chapin, W. Eugster, J.P. McFadden et al. // J. Climate. V. 13. P. (2010).
4. Kolomyts E.G. Quantitative assessment of functional stability of forest ecosystems / E.G. Kolomyts, L.S. Sharaya // Russian Journal of Ecology. Volume 46, Issue 2, 2015, Pages 117-127.
5. Jorgensen S.E. Towards a Thermodynamic Theory for Ecological Systems. Langford Lane Kidlington / S.E. Jorgensen, Y.M. Svirezhev. Oxford: Elsevier. 2004. 369 p.
6. Jorgensen S.E. Next generation of ecological models / S.E. Jorgensen, H. Mejer // Proceedings of the Work Conf. on Environment System Analysis and Management. Rome.1982. 485 p.
7. Puzachenko Yu.G. Analysis methods in environmental and geographical research / Yu.G. Puzachenko. M.: Academia, 2004.
8. Pokarzhevskii, A.D. Trophic structure of ecosystems and ecotoxicology of soil organisms / A.D. Pokarzhevskii, N.M. Van Straalen, Zh.V. Filimonova et al. // Russian Journal of Ecology. Volume 31, Issue 3, 2000, Pages 190-197.
9. Razumovsky S.M.Regularities of the dynamics of biogeocenoses: Works / S.M. Razumovsky. - M.: KMK Scientific Press, 1999.
10. Shikhova, L.N. Dynamics of organic matter content in sod-podzolic soils differ in degree of cultivation / L.N. Shikhova, O.A. Zubkova, E.M. Lisitsyn // Heavy Metals and Other Pollutants in the Environment: Biological Aspects1 January 2017, Pages 51-86 p.
11. Tsvetkov V.F. Forest biogeocenosis / V.F. Tsvetkov. 2nd ed. Arkhangelsk, 2003.267 p.