Отже, за другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної Е в Е нижчої та найнижчої якості – тепло – й призводить до зростання ентропії.

Перший закон термодинаміки – ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ. Це означає, що Е не може бути ні народжена, ні знищена, вона може бути лише трансформована з однієї форми в іншу.

В екологічних системах відбувається багато перетворень Е: Е сонця завдяки процесам фотосинтезу перетворюється на Е хімічних зв’язків органічної речовини продуцентів, далі вона акумулюється в органічній речовині консументів різних рівнів і т.д. Розглядаючи сучасне людське суспільство, воно теж перетворює величезні кількості Е.

Другий закон термодинаміки – визначає напрям якісних змін енергії в процесі її трансформації з однієї форми в іншу. Закон описує співвідношення корисної і марної роботи під час переходу Е з однієї форми в іншу, дає уявлення про якість самої Е.

Енергія – здатність системи здійснювати роботу, але за будь-якої трансформації Е лише частина її витрачається на виконання корисної роботи, решта безповоротно розсіюється у вигляді тепла, тобто здійснюється марна робота, пов’язана зі збільшенням швидкості безладного руху частинок. Чим більший процент Е витрачається на виконання корисної роботи й відповідно, чим менший процент при цьому розсіюється у вигляді тепла, тим вищою вважається якість початкової Е. Високоякісна Е може бути без додаткових затрат трансформована в більшу кількість інших видів Е, ніж низькоякісна.

Е найнижчої якості є Е невпорядкованого броунівського руху, тобто теплова, її не можна використати для виконання корисної роботи.

Кількість Е найнижчої якості, непридатної для здійснення корисної роботи називають ЕНТРОПІЄЮ – це міра дезорганізації, безладу, випадковості систем і процесів.

Отже, за другим законом термодинаміки, будь-яка робота супроводжується трансформацією високоякісної Е в Е нижчої та найнижчої якості – тепло – й призводить до зростання ентропії.

Знизити ентропію в термодинамічно закритій системі неможливо, оскільки вона не отримує Е ззовні, і поступово вся отримана колись Е перетворюється на тепло і розсіюється. На противагу – у відкритій системі за рахунок Е, яка постійно потрапляє ззовні можливо підтримувати низький рівень ентропії.

Так всесвіт є закритою системою, в якій постійно зростає ентропія. Біосфера ж натомість, відкрита, й підтримує постійно низький рівень ентропії за рахунок Е сонця, розсіює внаслідок складних процесів перетворення в космічний простір низькоякісну Е у вигляді тепла.

ЕКОЛОГІЧНА ЕНТРОПІЯ – кількість необоротно розсіяної в просторі теплової Е, яка компенсується Е Сонця, - в космосі ентропія зростає з плином часу, але всередині хаосу існують острівці порядку, один із найважливіших серед них – життя.

Живі системи за рахунок високо впорядкованої Е Сонця з низько впорядкованих компонентів довкілля створюють свій, вищий ніж у довкілля порядок. Існує вислів «живе живиться не Е, воно живиться чужим порядком (наприклад, порядком сонячного світла, хімічних зв’язків органічної речовини)».

Теплове розсіяння Е екосистемами відбувається двома основними шляхами:

 - звичайних втрат тепла через різницю т температур біоти й довкілля;

 - втрат тепла організмами та їх угрупованнями в процесах метаболізму (зокрема дихання) у зв’язку з вивільненням Е в ході екзотермічних реакцій.

З погляду 2 закону термодинаміки, біосфера не є «безвідходним виробництвом», оскільки відходи її діяльності – це не речовини, а низькоякісна теплова Е, що випромінюється за межі планети, тобто ентропія.

Вважають, що еволюція біосфери відбувалась в напрямі зменшення екологічної ентропії, адже чим складніше організована жива речовина в біосфері тим якісніше використовується Е Сонця, менша ентропія системи. (

Потік Е в ланцюгах живлення залежить від довжини конкретного ланцюга, яка визначається кількістю трофічних рівнів. І – продуценти, синтезують органічну речовину; ІІ – консументи, які поїдають органічну речовину продуцентів (травоїдні тварини, фітофаги); ІІІ – консументи другого рівня (хижаки); 4 рівень – редуценти, які розкладають органічні речовини на мінеральні компоненти, остаточно вивільняють Е, зв’язану раніше продуцентами. Лише 10% біомаси одного трофічного рівня перетворюється на біомасу другого рівня – правило 10 відсотків у трофічній піраміді. Через великі втрати Е під час переходу її з одного трофічного рівня на інший ланцюги живлення не можуть бути надто довгими (не більше ніж 3-5 ланок).

2. КРУГООБІГ РЕЧОВИН В БІОСФЕРІ

Існування життя в біосфері можливе не лише за рахунок потоків Е, але й залежить від кругообігу речовин в біосфері. Будь-які живі організми дістають із довкілля хімічні елементи, котрі потім використовують на побудову чи підтримання своїх тіл і на забезпечення процесів розмноження. Відомо близько 80 елементів необхідних біоті. З продуктами життєдіяльності, або після смерті ці елементи знову потрапляють в довкілля й у подальшому використовуються іншими організмами. Отже, в біосфері постійно відбувається кругообіг речовин, прямо чи опосередковано він здійснюється за рахунок сонячної Е та сил гравітації.

Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини.

Біологічний кругообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері.

Причина кругообігу - обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.

У біосфері відбувається постійний кругообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при гнитті, надходять у грунт і атмосферу, знову включаються в кругообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів.

Хімічні елементи, які використовуються живою речовиною у великих кількостях і зазвичай становлять не менше ніж 0,1% загальної маси організму, називають макроелементами: вуглець, кисень, водень, азот, фосфор, сірка, калій, магній і кальцій. Всі ці елементи, за винятком кисню й водню називають також БІОГЕННИМИ, оскільки жива речовина вибірково й у значній кількості поглинає їх з неживого середовища й концентрує в клітинах.

Елементи, необхідні організмам у менших кількостях (до 0,1%), належать до мікроелементів: мідь, цинк, молібден, бор, йод, силіцій та ін.

Макро й мікро елементи використовуються живими істотами в складі певних молекул. Елемент, що входить до складу молекули, з якої він може бути засвоєний організмом, називають доступним, або елементом у доступній формі. Часто для різних груп організмів доступні форми одного і того ж елемента різні. За рахунок такої властивості виділяють схеми кругообігів речовин.

Біогенна міграція цих елементів викликається трьома процесами:

- обміном речовин в організмах;

- ростом;

- розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав B.I. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя.

В.І.Вернадський підрахував, що за час існування на Землі біосфери було створено 3,5.1019 т біомаси, що майже в 2 рази перевищує масу всієї земної кори, яка становить 2.1019 т. Робота, що виконується живою речовиною, за Вернадським може бути оцінена за формулою Е = PV2 / 2, де

Р - маса організмів,

V - швидкість розтікання біомаси (розмноження організмів).

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий - багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності.

Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) кругообіги і кругообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли).

Великий (геологічний) кругообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись на різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази -СО, NH3 - переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний кругообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі кругообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний кругообіг атомів. Суть кругообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини - два боки єдиного процесу. В процесі біологічного кругообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні кругообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості - від швидкого кругообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

Біологічний кругообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з кругообігу і осідає в товщині осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті кругообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль) .

Отже, кругообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.

3. ВПЛИВ ЛЮДИНИ НА ВЕЛИКИЙ КРУГООБІГ РЕЧОВИН

В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно короткий час.

Людина небувало прискорила кругообіг деяких речовин - родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію “минулих біосфер”, накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в кругообіг води в природі.

Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є кругообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини:

- кругообіг кисню;

- кругообіг вуглецю;

- кругообіг води;

- кругообіг азоту;

- кругообіг сірки;

- кругообіг фосфору.

Зазвичай прискорення вивітрювання гірських порід спричиняє зростання кількості біогенних речовин, що, в свою чергу породжує збільшення кількості живої речовини і підвищує інтенсивність процесів винесення речовин у Світовий океан. Це призводить до інтенсивнішого нагромадження донних відкладів. Кількість доступних речовин у біосфері починає зменшуватись. Біосфера переходить на голодний режим, що супроводжується вимиранням видів, посиленням конкурентної боротьби за ресурси й прискоренням процесів утворення нових, більш конкурентноспроможних видів. Поступово баланс вирівнюється, процес починається з початку.

Сьогодні все триває так само, лише на відміну від попередніх історичних епох, діяльність людини значно впливає на процеси кругообігу.

Виділяють дві головні причини порушення кругообігу речовин у біосфері:

1. Сильне штучне прискорення процесів вивітрювання осадових і гранітних порід, пов’язане із видобуванням і переробкою корисних копалин, спалюванням вугілля, нафти, торфу, природного газу. В результаті чого, змінюється склад атмосферного повітря, через кислотні дощі змінюється РН грунту, що переводить деякі хімічні елементи у розчинений стан. Процеси біологічного кругообігу уповільнюються, адже зникає певна кількість носіїв живої речовини, хімічні елементи у рідкому стані швидше переміщуються до Світового океану. Прискорені темпи загибелі біоти, вповільнені темпи повторного використання доступних мінеральних речовин, зростання швидкості їх вимивання: спричиняє пере збагачення океану біогенними ел-ми. Таким чином, велика кількість біогенної речовини консервується.

2. Людина в процесі своєї господарської діяльності створює чисельні речовини, які надалі не можуть бути ні використані в природі, а ні перетворені нею на хімічні елементи. Вони утворюють групу антропогенних осадових порід – археологи називають «культурним шаром». Врешті-решт ці продукти будуть перетворені геологічними процесами, але скільки часу потрібно для їх перетворення? Тому, існує реальна загроза перетворення доступних ресурсів на відходи швидше, аніж завершиться цикл біогеохімічного кругообігу.

В. І. Вернадський зазначав, що на земній поверхні немає хімічної сили, яка б діяла постійніше, а тому й могутнішої за своїм кінцевим результатом, ніж загалом взяті живі організми. Жива речовина виконує хімічні функції: газову, концентраційну, окисновідновну і біохімічну.

Газову функцію здійснюють зелені рослини, які в процесі фотосинтезу виділяють в атмосферу кисень, рослини і тварини, які під час дихання виділяють вуглекислий газ, а також багато видів бактерій, які відновлюють азот із сполук, сірководень та ін.

Концентраційна функція пов'язана з нагромадженням у живій речовині хімічних елементів (вуглецю, водню, азоту, кисню, кальцію, калію, силіцію, фосфору, магнію, сірки, хлору, натрію, алюмінію, заліза). Окремі види є специфічними концентраторами деяких елементів: багато морських водоростей — йоду, жовтці — літію, ряска — радію, діатомові водорості і злаки — силіцію, молюски і ракоподібні — міді, хребетні — заліза, бактерії — мангану.

Окисновідновна функція виявляється в окисненні речовин за участю організмів у грунтах і гідросфері, що супроводжується утворенням солей, оксидів тощо, та відновленні деяких речовин (сірководень, сульфат заліза та ін.). З діяльністю бактерій пов'язане формування вапняків, бокситів, залізних, манганових і мідних руд тощо.

Біохімічна функція реалізується в процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення) і руйнування, деструкції відмерлих організмів та продуктів їхньої життєдіяльності. Ці процеси зумовлюють кругообіг речовин у природі, біогенну міграцію атомів.

Так створюються кругообіг біогенних елементів і потік енергії в межах сукупності організмів. Постійне надходження енергії живить цей циклічний процес і компенсує неминучу втрату енергії із системи у вигляді теплового випромінювання. Внаслідок кругообігу речовин у біосфері відбувається безперервна біогенна міграція елементів. Необхідні для життя рослин і тварин хімічні елементи переходять із середовища в організм. Під час руйнування організмів ці елементи знову повертаються в середовище, звідки надходять в організм або відкладаються у вигляді біогенних геологічних порід (тобто кругообіг речовин у природі замкнений не повністю).