Жүйелердің энергияны барынша пайдалану және тиімділікке ұмтылу тенденциясы

Кіріспе

Өзін-өзі дамытатын жүйелердің энергияны қабылдауды және тиімділікті барынша арттыруға бейімділігі

Максималды қуат принципі немесе Лотка принципі ашық жүйелер термодинамикасындағы энергетиканың төртінші принципі ретінде ұсынылған. Америкалық эколог Говард Т. Одумның сөзіне сәйкес: "Максималды қуат принципін былай формулировать болады: өзін-өзі ұйымдастыру процесінде жүйелердің құрылымы энергияны қабылдауды, энергияны түрлендіруді және өндіріс пен тиімділікті арттыратын қолдануды барынша арттыруға бағытталған жобаларды дамытып, үстемдік табады."

Тарих

Чен (2006) максималды қуат туралы мәлімдеменің бастауын Альфред Дж. Лотканың (1922а, б) жасаған алдын ала ұсынысында тапты. Лотканың мәлімдемесі Дарвиннің эволюция туралы түсінігін физикалық принциптер арқылы түсіндіруге бағытталған. Лотканың еңбегін кейін жүйелік эколог Говард Т. Одум химиялық инженер Ричард К. Пинкертонмен бірлесіп дамытты, ал кейін инженер Майрон Трибс оны одан әрі жетілдірді. Лотканың жұмысы эволюциялық ойды математикалық тұрғыда формальдастыруға жасалған алғашқы тырастың бірі болғанымен, ол Лейбниц, Вольтерра және Людвиг Больцман сияқты ғалымдар жасаған ұқсас бақылауларға негізделді, бұл табиғи философияның кейде даулы тарихында кездеседі. Қазіргі әдебиетте бұл еңбек Говард Т. Одумның еңбектерімен тығыз байланысты. Одумның тәсілінің маңыздылығы 1970-ші жылдардағы мұнай дағдарысы кезінде одан да артып, Гиллиландтың (1978, 100-бет) байқағандай, энергия ресурстарының экономикалық және экологиялық өндіріс үшін маңыздылығы мен құндылығын талдаудың жаңа әдісіне зәрулік туды. Осы талдау қажеттілігін қанағаттандыру үшін энергия талдауы деп аталатын сала пайда болды, ол таза энергиямен және EROEI көрсеткішімен байланысты. Дегенмен, энергия талдауында энергия бірлігін қолдану кезінде мынадай мәселелер туындады: а) шоғырланған отын түрлерінің (немесе энергия түрлерінің) арасындағы өзгеруі, б) еңбектің үлесі және в) қоршаған ортаның үлесін түсінуде қиындықтар.

Термодинамиканың 4-заңы ретінде ең жоғары қуат принципі туралы ұсыныстар

Лотка тіршілік ету және эволюция үшін күресте қол жетімді энергияның орталық рөлін атап өтті. Энергияны тиімді жинау механизмдеріне ие организмдердің үстемдік танытатынын айта отырып, Лотка мәні бойынша МПП-мен келісті. МПП биологиялық жүйелердің, кез келген басқа күрделі жүйелер сияқты, олардың энергия қабылдауын немесе энергия ағынын барынша арттыратын бағытта дамуға бейім екенін постулаттайды. Осы тұрғыда, энергия ресурстарын тиімді жинап, пайдаланатын организмдер эволюциялық процестерді итеріп, өркендеуі және көбеюі мүмкін. Лотканың байқауы биологиялық эволюциядағы энергия динамикасының рөлін түсінуге алғашқы теориялық негізді ұсынады. Одумның дарвиндік табиғи іріктеуді термодинамиканың төртінші заңымен байланыстыру туралы ұсынысы маңызды. Ол биологиялық эволюцияны басқаратын принциптер термодинамикамен, әсіресе энергия ағыны және энтропия өндірісі ұғымдарымен тығыз байланысты екенін көрсетеді. Табиғи іріктеуді термодинамикалық процесс ретінде қарастыра отырып, Одум организмдердің энергияны жинау және пайдалануды жақсартатын қасиеттер мен мінез-құлықтарды дамытатынын білдіреді, бұл МПП-мен үйлеседі. Сонымен қатар, биологиялық процестердегі жылудың пайда болуын және тиімділікті реттеуге баса назар аудара отырып, Одум тіршілік ету және көбею үшін энергияны пайдалануды оңтайландырудың маңыздылығын атап көрсетеді, бұл МПП принциптерін қайталайды. Одумның МПП-ны төртінші термодинамикалық заң ретінде мойындауға шақыруы термодинамика мен биология арасындағы қарым-қатынас туралы бұрынғы түсініктердің жиынтығын білдіреді. МПП-ны термодинамиканың негізгі заңы деңгейіне көтеру арқылы Одум оның биологиялық жүйелерді қоса алғанда, әртүрлі күрделі жүйелердегі әмбебап қолданылуын көрсетеді. Бұл перспектива биологиялық жүйелердің тіршілік ету және көбею қажеттіліктерімен жетеледі, олардың қуаттылығын барынша арттыратын жолдармен дамуға бейім екенін және осылайша қол жетімді энергия ресурстарын пайдалану қабілетін жақсартатынын көрсетеді. МПП-ны басшылық принцип ретінде мойындау арқылы Одум экожүйе динамикасын, популяциялардың өзара әрекеттесуін және эволюциялық бағыттарды түсінудегі оның түсіндіру күшін атап көрсетеді.

Lotka underscored the centrality of available energy in the struggle for survival and evolution. By asserting that organisms with more efficient energy capturing mechanisms gain an advantage, Lotka essentially aligned with the MPP. The MPP posits that biological systems, like any other complex systems, tend to evolve in ways that maximize their power intake or energy flux. In this context, organisms that effectively capture and utilize energy resources are more likely to thrive and propagate, driving evolutionary processes. Lotka's observation provides an early theoretical foundation for understanding the role of energy dynamics in biological evolution. Odum's proposition of linking Darwinian natural selection with the fourth law of thermodynamics is significant. It suggests that the principles governing biological evolution are intimately connected with those of thermodynamics, particularly the concepts of energy flow and entropy production. By considering natural selection as a thermodynamic process, Odum implies that organisms evolve traits and behaviors that enhance their energy capture and utilization, consistent with the MPP. Furthermore, by emphasizing the regulation of heat generation and efficiency in biological processes, Odum highlights the importance of optimizing energy utilization for survival and reproduction, echoing the principles of the MPP. Odum's advocacy for recognizing the MPP as the fourth thermodynamic law represents a culmination of earlier insights into the relationship between thermodynamics and biology. By elevating the MPP to the status of a fundamental thermodynamic law, Odum underscores its universal applicability across various complex systems, including biological ones. This perspective emphasizes that biological systems, driven by the imperatives of survival and reproduction, tend to evolve in ways that maximize their power output, thereby enhancing their capacity to exploit available energy resources. By acknowledging the MPP as a governing principle, Odum highlights its explanatory power in understanding ecosystem dynamics, population interactions, and evolutionary trajectories.

Сөздік анықтама

Одум және авторлар максималды қуат теоремасын қуат тиімділігінің өзара таңдау принципі ретінде қарастырды, ол электроникадан асып, кеңірек қолданылады. Мысалы, Одум оны күн энергиясында жұмыс істейтін ашық жүйелерде, фотоэлектрлік құрылымдар мен фотосинтез сияқты көріп тұрды (1963, 438 б.). Максималды қуат теоремасындағыдай, Одумның максималды қуат принципі туралы айғағы «сәйкестік» ұғымына негізделген, яғни жоғары сапалы энергия қуатты арттыру үшін энергияны сәйкестендіріп, күшейтеді (1994, 262, 541 бб.): «өмірге жарасымды жүйелерде жоғары сапалы энергияның үлкен көлемдегі төмен сапалы энергиямен сәйкес келуі мүмкін» (1994, 260 б.). Электрондық тізбектердегідей, энергияның түрлену жылдамдығы орташа қуат тиімділігінде максималды болады. 2006 жылы Т. Т. Кай, К. Л. Монтегю және Дж. С. Дэвис былай деді: «Максималды қуат принципі – экожүйе дамуы мен тұрақтылығының үлгілерін және процестерін түсінуге бағыт беруші потенциалды құрал. Бұл принцип бұрын қолданылмаған энергия көзін пайдаланатын экожүйелердің таңдамалы түрде сақталуын болжайды» (2006, 317 б.). Бірнеше еңбектерінде Х. Т. Одум Атвуд машинасының максималды қуат принципінің практикалық мысалы екенін келтірді.

Математикалық анықтамасы

Г. Т. Одум берген математикалық анықтама формальды түрде максималды қуат теоремасы мақаласында келтірілген анықтамамен үйлеседі. (Одумның экология мен электроника арасындағы байланысқа қатысты көзқарасының қысқаша түсіндірмесі үшін Ом заңының экологиялық аналогын қараңыз)

Қазіргі заманғы идеялар

Ең жоғары қуат тиімділігі принципі термодинамиканың төртінші заңы және энергетиканың төртінші қағидасы болып санала ма, жоқ па, бұл мәселе емес. Дегенмен, Х. Т. Одум эволюцияның ұйымдастырушы қағидасы ретінде максималды қуаттың салдары ретінде, микробиологиялық жүйелердің, экономикалық жүйелердің, планеталық жүйелердің және астрофизикалық жүйелердің эволюциясын сипаттады. Ол осы салдарды "максималды қуат беру принципі" деп атады. Бұл С. Е. Йоргенсен, М. Т. Браун, Х. Т. Одум (2004) атап өткендей, мына себепті ұсынылды: Ц. Джаннантони "Ең жоғары ЭМ қуат принципі" (Лотка–Одум) физикалық және биологиялық жүйелердің өте кең класы үшін практикалық қолданылуына байланысты, көбінесе "термодинамиканың төртінші принципі" деп есептеледі (Ц. Джаннантони 2002, § 13, 155 б.). Дегенмен, Джаннантони ең жоғары ЭМ қуат принципін термодинамиканың төртінші қағидасы ретінде ұсынды (Джаннантони 2006). Бұл талқылау толық емес. "Ең жоғары қуат" физика және инженерия салаларында бірнеше рет тәуелсіз түрде ашылды, мысалы: Новиков (1957), Эль Вакиль (1962) және Курзон мен Ахлборн (1975). Gyftopoulos (2002) осы талдаудың және жобалау эволюциясының дұрыс еместігін көрсетті.