生物圈中的能量循环

热力学第一定律和生物圈生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下10km到海平面以上9km的范围。在这个范围内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换与循环。我们主要来讨论能量根据热力学第一定律的原理，在生物圈中的交换与循环。一、热力学第一定律在生物圈中的体现（一）太阳能的交换与循环地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。能量输入的根本来源是太阳能，食物是光合作用新近固定和储存的太阳能，化石燃料则是过去地质年代固定和储存的太阳能。光合作用是植物固定太阳能的惟一有效途径，其全过程很复杂，包括100多步化学反应，但其总反应式却非常简明：6CO2＋12H2O→C6H12O6+6O2＋6H2O能够通过光合作用制造食物分子的植物被称为“自养生物”，主要是绿色植物。其他生物靠自养生物取得其生存所必须的食物分子，这些生物称为“异养生物”。例如，食草的动物和昆虫，它们是绿色植物的消费者。它们无法固定太阳能，只能直接（如食草兽）或间接（如食肉兽）从绿色植物中获取富能的化学物质，然后通过“呼吸作用”把能量从这些化学物质中释放出来。呼吸作用也包括70多步反应，但其总反应式同样非常简明：C6H12O6＋6O2→ATP＋6CO2＋6H2O+热量生成物中的ATP即三磷酸腺苷，是生物化学反应中通用的能量，可保存供未来之需，也可以构成和补充细胞的结构以及执行各种各样的细胞功能。生物圈中的能量流动都是按照热力学第一定律。根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理。地球生物圈中能量的转移是热力学定律的极好说明。据测定，进入地球大气圈的太阳能为每分钟每平方厘米8.368J。其中约30％被反射回去，20％被大气吸收，其余的46％到达地面。地球表面上大部分地区没有植物，到达绿色植物上的太阳辐射只有10％左右。植物叶面又反射一部分，能被植物利用太阳能的只有1％左右。就是这极其微小的部分太阳能每年制造出（1500～2000）×108t有机物质（干重），是绿色植物提供给全球消费者的有机物总量。绿色植物实现了从辐射能向化学能的转化，然后以有机质的形式通过食物链把能量传递给草食性动物，再传递给肉食性动物。动植物死亡后，其躯体被微生物分解，把复杂的有机物转化为简单的无机物，同时把有机物中储存的能量释放到环境中去。生产者、消费者和分解者的呼吸作用也要消耗部分能量，被消耗的能量也以热量的形式释放到环境中。这就是全球生物圈中能量的流动。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生物圈处于完美的和谐之中。(二)洋流中能量的交换与循环在海洋运动中，洋流对地球上的能量交换与循环扮演着重要的角色。洋流循着一定的路线周而复始地运动着，其规模比起陆地上的巨江大川则要大出成千上万倍。海水流动可以推动涡轮机发电，为人们输送绿色能源。中国的洋流能源也很丰富，沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。　　　　 美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员指出，墨西哥湾流受到风力、地球自转和朝向北极前进的热量所驱使，所带来的能量等同于美国发电能力的2000倍。若能成功利用这股强大的洋流，驱动设置在海底的涡轮发电机，就足以产生相当10座核能发电厂的电能，供应佛罗里达州三分之一的电力需求。佛罗里达大西洋大学的研究人员计划于几个月内测试一座小型的涡轮发电机。　　佛罗里达大西洋大学“海洋科技中心”的研究人员说：“佛罗里达是世界上发展洋流发电的首选之地，因为这里常年都有强大的洋流。在这里建立的洋流发电厂可以全天候发电，一年到头都可发电。”二、生物圈，“第三类”永动机？永动机是人类的一个梦想，第一类永动机的梦想因能量守恒定律的出现而宣告失败，第二类永动机的尝试也因能量的转化的方向性而破产。有一位物理学家这样生动的解释：“根据热力学第一定律，你不可能赢；根据热力学第二定律，你不可能不输不赢。”因此，人类不可能违背自然规律制造出第一类和第二类永动机。不过，人们心中普遍还有一个永动机之梦，我们暂称之为“第三类”永动机。什么是“第三类”永动机呢？让我们先回到永动机的字面意义。简单地说，永动机就是永远运动的机器。那么，一个不需要外界能量和物质输入而实现物质和能量自循环的装置，就是一个永动机。比如一个理想单摆，在无摩擦的理想条件下，它的势能和动能不停地转化，没有任何耗散，在系统内部实现能量的自循环，并且循环往复，以至无穷，这就是一个永动机。当然，在现实世界中，理想单摆的理想条件是无法满足的，因为总是有摩擦存在，能量损失，根据热力学第一定律单摆最终会停止摆动。然而，如果我们从外界输入能量，补充耗散掉的能量，比如给这个单摆装一个太阳能发条，这个单摆是否可以永远运动下去呢？其实，我们所生活的生物圈就是一个巨大的半孤立系，它与外界没有物质交换，但是有源源不断的太阳能输入，而地球就是靠着这些外界输入的能量能够维系其内部物质的自循环，到现在已经维持了46亿年仍保持着相对稳定的状态，这样看来，我们的生物圈就是一个巨大的物质可逆能量不可逆的永动机，这就是我们前面提到的“第三类”永动机。但是，生物圈这样的“第三类”永动机真的存在吗？让我们先回顾一下著名的“生物圈二号”试验。1990年，美国人在亚利桑那州的沙漠里进行了一项实验，实验装置是一个硕大的温室，占地一公顷，在里面预先设置了河流、树林、草地、动物、人……总之，一切都是尽力模仿地球的生物圈而设计的，所以该温室被命名为生物圈2号（至于1号嘛，他们用来命名地球本身了）。实验的设计者希望生物圈2号中的空气、水；动物、植物和人能够在阳光的作用下实现物质的自循环。但是，进驻其中的8名科学家，不久就发现存在不少问题，如空气的含氧量减少，二氧化碳浓度增加等。这年12月9日，打开吸气口，换了17000立方米的空气，占其中空气总量约1/3。即使这样，8名科学仍然只在其中生活了470多天，于1993年1月提前撤出，没有达到预计在其中生活两年的时间。而且后来透露，他们还违反初衷，暗地里带入3个月的口粮和够用两年的动物饲料；一名女科学家出外治好手指刀伤返回时，又带进一大箱行李，以及电脑文件等。1993年3月6日 ，第二批7名科学家进驻，计划在其中生活10个月。他们面临的问题更多，如氧含量由原来的21％降到14％；由于二氧化碳和一氧化碳猛增，使人体合成维生素B12的能力减弱，危害大脑健康。而藤本植物和小草等却趁势猛长，非常繁茂，沙漠变成了草地。但高大乔木则因上层温度超高、下层温度超低而枯萎；蜜蜂等有益的昆虫大部分死亡，造成靠花粉传播而繁殖的植物几乎灭绝；相反，白蚁、蟑螂等有害的昆虫却生存了下来。无奈之下，第二批科学家被迫于当年9月17日撤出。无疑，“生物圈二号”的实验失败了，生物圈二号有着充足的太阳能为系统提供物质循环和能量交换所需的能量，然而，这种人为尝试制造一个“第三类”永动机的努力却宣告失败，这是为什么呢？其实，“第三类”永动机违反的同样是热力学第二定律，只不过比较隐密，我们需要对它进行仔细分析才能发现。根据热力学第二定律，能量总是从高级的、可利用的转化为低级的、不可利用的，而物质也总是从可用的变成的不可用的。如果说第二类永动机与热二律的能量转化方向相矛盾，“第三类”永动机就与热二律的物质转化方向相矛盾。且让我们从物质的角度，重新考虑热力学第二定律。我们这里从物质的角度定义熵，也就是从其微观量子态的数目入手，物质从聚集态变成离散态，是一个熵增的过程。比如把一大块单晶硅切割成若干小片，虽然物质总量不变，但是熵增加了——即使我们假定对单晶硅的切割不需要能量，也会导致熵增——这部分熵增与所涉及的能量无关，可称之为物质熵。当我们把这一片片单晶硅分散到一个个电器之中，使得硅片与其它物质进一步混合在一起，又会导致熵的进一步增加。这个的过程与能量有高级转到低级一样，也是不可逆的。如果一定要将这些离散的物质重新组合，则要付出高昂的代价。生物圈2号是一个悖论，仅有能量输入，还不能使其中的物质实现自循环。而一旦加入了新的物质，又算不上是物质的自循环了。换一句话说：无论系统有多少能量输入，物质的自循环都是不可能的！在物质的循环过程中，必然会有一部分物质耗散，成为高熵的垃圾，使得系统中参与循环的物质越来越少，最终崩溃！热力学第一定律在研究生物圈的能量循环上固然有着重要的意义，但是，生物圈2号的失败警示我们在对待生物圈这个热力学系统时，也不能单纯只考虑热力学第一定律，认为地球有太阳能这个源源不断的能量输入就能一直维持其稳定状态。既然“第三类”永动机并不存在，物质循环并不可逆，那么，地球作为这样一个系统，也摆脱不了这样的规律。在以往的时代里，人类的活动相对于自然本身的循环来说，只是一个无穷小量。但是，工业革命之后，尤其是20世纪之后，人类的活动能力已经大到足以与自然相比了。人类采矿、修建运河、水库，改变了地球上的物质聚集状态，也改变了自然本身的物质循环方式。把低熵状态的矿藏、森林、天然水体，转化成了高熵状态的垃圾，这无疑给生物圈造成了巨大的危害。然而，现在很多人还天真的以为根据热力学第一定律，我们可以利用巨大的太阳能能量，治理这些污染，保护地球的环境。殊不知，也许能量可以不断获取，但生物圈的物质很难实现循环，在将来，也许能源问题我们能够逐步解决，但垃圾处理问题会更加严重。所以，我们现在开始就要重视人类活动对生物圈造成的危害，保护环境，也许我们不能改变地球最终走向衰亡的命运，但是，如果现在我们不足够重视，不能善待和保护地球，也许，生物圈一号的衰亡就在我们的眼前。