Здравствуй уважаемый читатель! С вами вновь я, бывшие аспирант ВНИВИПа и его младший научный сотрудник. Сегодня я хочу написать статью о энергии. Энергия есть начало всего. Постараюсь ответить как эта энергия попадает и распределяется в организме и вообще в природе. Я в первых своих статьях рассказывал насколько тесно, биология связана с иными науками. В этой статье продолжу это показывать и пытаться доказать. Я обращусь к физике как науке о природе, а так же возможно коснусь немного астрономии, так как наша планета, и соответственно мы, является лишь составной частью всего сущего во вселенной.
Для продолжения разговора нам понадобиться определиться в самом понимании энергия, что это и где она прячется? Говоря просто энергия это мера способности физических тел изменять свое состояние. Для изменения состояния, тело должно совершить работу и соответственно потратить энергию.
Тут тогда возникает другой вопрос, а где собственно она прячется, где аккумулируется энергия, где её накопитель? Ответ прост, энергия прячется в самой материи, нет материи без энергии и соответственно нет энергии без материи. Носителем любой энергии является материя.
Теперь давайте представим себе зарождение вселенной. Возьмём общепринятый контекст, теорию большого взрыва, не вдаваясь в детали по которым сейчас некоторые умы говорят, что она не состоятельна. Согласно этой теории вселенная образовалась в результате большого взрыва из сингулярности. Для понимая, сингулярность это состояние вселенной в начальный момент большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.
Поскольку вся вселенная образовалась от взрыва и в неё не проникает не какое вмешательство, то можно предположить, что и энергии с веществом в ней столько на данный момент, сколько было изначально в сингулярности. Это заключение отлично вписывается в понимание законов сохранения вещества и энергии.
И так мы разобрались, что количество вещества и энергии конечное и что материя с энергией неразрывна связана. Что приводит нас к выводу, что вещества и энергии ровно столько, сколько его появилось в начале происхождения вселенной. Мы будем рассматривать материю только в форме вещества, по той простой причине, что всё живое состоит именно из этой формы материи.
Вот теперь, после того как мы ввели понятия энергии, материи и их взаимосвязи, мы можем разговаривать о путях трансформации энергии, её значении для биологических процессов.
В природе, энергия проявляет себя в виде механической работы (движение), либо в форме тепла, его поглощением или выделением в окружающею среду. Если рассматривать механику, то там имеется два основных вида энергии потенциальная и кинетическая. В биологии механика не имеет такого значения для организма как термодинамика. Но на примере механики легко объяснить закон сохранения энергии. В упрощённой форме он гласит: энергия не куда не исчезает и не откуда не появляется, она переходит из одного состояния в другое. Из этой фразы логично вытекает следующая формула:
Е=Ер+Ек = const.
Где Е это общее количество энергии, Ер - потенциальная энергия, а Ек - кинетическая энергия и естественно, что всё это дело постоянно. Почему в данном случае энергия постоянна, для упрощения мы берем замкнутую систему, в которой нет притока энергии из вне. Тут всё логично, а теперь постараемся понять как закон сохранения энергии может регулировать жизнь на планете земля.
В первой формуле, взятой нами для простоты, так как эти величины большинству известны из курса школы, мы определили для себя: вся энергия имеет постоянное, конечное значение и выразили математически. Этот вывод логичен поскольку мы определились, что вещество, а следовательно и энергия с ним связанная, имеет конечное значение в нашей вселенной. Соответственно обмен энергией при её трансформации из одного состояния в другое возможен, а вот генерация новой нет, так как вещества и материи во вселенной количество всегда конечное.
А поскольку жизни всегда необходима энергия, то живое вынуждено её трансформировать из других источников. К примеру растения берут солнечную энергию и трансформируют её в химическую, аккумулируя её в молекулах глюкозы и прочих вырабатываемых веществах, образующихся в процессе фотосинтеза. Трансформация возможна по той причине, что планета земля находиться в открытой системе рядом с солнцем, которое является источником этой самой энергии.
А вот теперь введём понятие первого закона термодинамики, которое по простому можно озвучить следующим образом. Изменение внутренней энергии, той или иной системы, возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне.
Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом:
Q = ΔU + A
Количество теплоты Q, передаваемое системе, равно суме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.
Если посмотреть на эту формулу немного иначе, то можно дать и ещё одно определение первого закона термодинамики. Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии. А теперь постараемся вывести работу системы растения не вводя, для простоты, новых переменных в формулу.
При проведении синтеза растениями новых молекул система производит работу и эта работа может быть выражена формулой согласно перовому закону термодинамики A = Q - ΔU. И тут мы видим, что теплота (внешняя энергия) и есть работа за разницей её с внутренней энергией растения.
Я намерено упрощаю формулу, довожу её до самой простой системы, что бы не загромождать биофизикой воображение моего читателя.
Основное, что можно вывести из этого закона, это то что без получения энергии из вне, любая система не сумеет совершать полезную работу (именно поэтому невозможен вечный двигатель первого порядка). Биологическая система, совершает постоянно колоссальное количество работы, что требует постоянного притока энергии. Но то что мы не можем понять и повторить до сих пор, это её энергоэффективность, ни одна система созданная человеком не может тратить энергию так же эффективно как живой организм.
В свете сказанного, следует отметить ещё один момент, это то, что не вся энергия поступившая на планету усваивается организмами, часть её игнорируется. Поскольку чем меньше системе нужно энергии для поддержания жизни, гомеостаза, тем система вернее может пережить её дефицит.
Теперь давайте введём понятия второго закона термодинамики и разберёмся как он оказывает влияние на биологические системы нашей планеты.
В простом понимании он означает: невозможно передать тепло от более холодного тела более теплому. И тут всё обсолютно логично, любой здравомыслящий человек скажет, что подобное и объяснять не стоит. Но учёный в этой простой истине видит более глубинные связи.
Давайте разберёмся к чему этот простой вывод может привести. и так у нас есть два тела одно с большей температурой, а другое более холодное. При переносе тепла от одного тела к другому мы совершаем работу и она может быть выражена простой формулой
A=Q1-Q2 где Q1 - это температура горячего тела, а Q2 температура более холодного.
А теперь немного усложним нашу систему введём сюда понимание, что в температуру как первого так и второго тела входит ещё и температура окружающей среды. А если мы представим себе каскад тел с последовательной передачей температуры от первого тела к последующему, то легко понять, что на каждой следующей цепочке передача энергии (её разность) от горячего тела к более холодному будет постоянно уменьшаться. Это в том случае если мы не будем добавлять дополнительную температуру, при последующих переносах.
На картинке выше мы пренебрегаем передачей энергии между телом и внешней средой. Согласно имеющимся законам термодинамики получаем, что при каждой последующей передаче энергии холодному телу количество энергии делиться пополам. Согласно второму закону термодинамики вся энергия не может передаться второму телу, так как в этом случае холодная система будет обогревать более тёплую. А это означает, что 100% передача энергии от одного тела другому невозможна и в идеальном случае это будет только 50%.
А теперь давайте попробуем перенести эти закономерности в природу. Из школьного курса мы знаем, что существует такое понятие как экологическая (пищевая) пирамида. В её основании находятся продуценты, которых больше всего, а дальше по убывающей идут консументы первого, второго и прочих порядков. Вот пример подобной пирамиды.
И зная правила передачи энергии от одного тела к другому, согласно второму закону термодинамики, логично, что каждая последующая ступень меньше предыдущей. Энергии при передаче становиться меньше, а живой организм вынужден её потреблять примерно в том же количестве, что и предыдущий уровень. Ещё необходимо учитывать и тот факт, что при активном образе жизни животное в отличии от растения тратит её значительно больше.
И так, мы рассмотрели превращение энергии в природе, её передачу и усвоение организмами, но мы не учли тот факт, что система не только усваивает и перерабатывает энергию, но еще активно её выделяет. И здесь необходимо ввести ещё одно определение второго закона термодинамики.
Энтропия изолированной системы не может уменьшаться.
Если мы посмотрим определение энтропии, то выясним, что её считают мерой беспорядка. Но для простаты мы будем её рассматривать здесь как энергию. Так вот энтропия, при работе любой системы, стремиться к увеличению и соответственно нарастанию беспорядка. Но это только в том случае если система закрытая, если система открыта, то энтропия уйдёт во внешнею среду.
Любая биологическая система, система открытая и соответственно избыток энтропии уходит во внешнею среду, до возникновения баланса температур между системой организма и внешней температурой среды. На планете земля энтропия биологических объектов генерируются в атмосфере, гидросфере и прочих средах где обитает организм. Кстати из-за возрастания энтропии.даже холоднокровные животные имеют небольшую разницу температур с внешней средой.
Возникает ещё один интересный вопрос, а куда с нашей планеты девается энтропия? Ответ прост она уходит в космос, вселенную и в ней, как в замкнутой системе, накапливается, поскольку согласно второму закону термодинамики, уменьшаться уже не может.
Но если энтропия накапливается во вселенной, то логично предположить, что вселенная из-за накопившегося в ней хауса, погрязнет в этой анархии энтропии, соответственно наступит так называемая тепловая смерть вселенной.
Этого не может произойти, так как в процессе создания вселенной (большой взрыв) вещество в ней распределилось не равномерно и если брать энтропия как энергию, то нет возможности накопления её равномерно, по всему объёму вселенной. Более того как сейчас выясняется, вселенная ещё не достигла своего конечного размера, и продолжает расширяться.
Вот так из анархии вещества и энергии в момент большого взрыва, возникли закономерности круговорота энергии и вещества. И все же наша вселенная стремиться к своему первоначальному состоянию беспорядка, благодаря существованию энтропии.
Если статья вам понравилась, то пишите комментарии. А если уже совсем нравиться, то подписывайтесь))
Прошу Вас так жене забывать ставить лайки))
#Биология #наука #энергия
