Принцип максимальной мощности в саморазвивающихся системах.

Введение

Тенденция саморазвивающихся систем к максимизации поступления энергии и эффективности.

Принцип максимальной мощности, или принцип Лотки, был предложен как четвертый принцип энергетики в термодинамике открытых систем. По словам американского эколога Говарда Т. Одума, "принцип максимальной мощности можно сформулировать так: в процессе самоорганизации развиваются и доминируют системные структуры, максимизирующие поступление энергии, преобразование энергии и те виды использования, которые усиливают производство и эффективность".

История

Чен (2006) установил происхождение утверждения о максимальной мощности как формального принципа в предварительном предложении Альфреда Дж. Лотки (1922a, b). Лотка стремился объяснить дарвиновское представление об эволюции, опираясь на физический принцип. Работа Лотки впоследствии была развита системным экологом Говардом Т. Одумом в сотрудничестве с химическим инженером Ричардом К. Пинкертоном, а затем доработана инженером Майроном Трибусом. Хотя работа Лотки, возможно, была первой попыткой формализовать эволюционное мышление в математических терминах, она опиралась на схожие наблюдения, сделанные Лейбницем, Вольтеррой и Людвигом Больцманом, и другими, на протяжении порой противоречивой истории естествознания. В современной литературе она наиболее тесно связана с работами Говарда Т. Одума. Значимость подхода Одума получила дополнительное подтверждение в 1970-х годах, в период нефтяных кризисов, когда, как отмечал Гиллиланд (1978, с. 100), возникла потребность в новом методе анализа важности и ценности энергетических ресурсов для экономического и экологического производства. Для удовлетворения этой аналитической потребности возникла область, известная как энергетический анализ, тесно связанная с понятием чистой энергии и EROEI. Однако в энергетическом анализе возникли неразрешимые теоретические и практические трудности при использовании энергетической единицы для понимания: а) преобразования между различными видами концентрированного топлива (или видов энергии), б) вклада труда и в) вклада окружающей среды.

Предложения о принципе максимальной мощности как 4-м законе термодинамики

Лотка подчеркнул центральную роль доступной энергии в борьбе за выживание и эволюцию. Утверждая, что организмы с более эффективными механизмами захвата энергии получают преимущество, Лотка по сути поддержал принцип максимальной скорости передачи энергии (МПП). МПП утверждает, что биологические системы, как и любые другие сложные системы, склонны эволюционировать таким образом, чтобы максимизировать поглощение энергии или энергетический поток. В этом контексте организмы, эффективно захватывающие и использующие энергетические ресурсы, с большей вероятностью будут процветать и размножаться, тем самым обуславливая эволюционные процессы. Наблюдения Лотки заложили раннее теоретическое основание для понимания роли энергетической динамики в биологической эволюции. Предложение Одума о связи дарвиновского естественного отбора с четвертым законом термодинамики является значимым. Оно предполагает, что принципы, управляющие биологической эволюцией, тесно связаны с принципами термодинамики, в частности с концепциями потока энергии и производства энтропии. Рассматривая естественный отбор как термодинамический процесс, Одум предполагает, что организмы развивают признаки и поведение, которые повышают их способность захватывать и использовать энергию, что согласуется с МПП. Более того, подчеркивая регулирование тепловыделения и эффективности в биологических процессах, Одум подчеркивает важность оптимизации использования энергии для выживания и размножения, что перекликается с принципами МПП. Выступление Одума за признание МПП четвертым законом термодинамики представляет собой кульминацию более ранних представлений о взаимосвязи между термодинамикой и биологией. Возводя МПП в статус фундаментального термодинамического закона, Одум подчеркивает его универсальную применимость к различным сложным системам, включая биологические. Эта точка зрения подчеркивает, что биологические системы, движимые императивами выживания и размножения, склонны эволюционировать таким образом, чтобы максимизировать свою мощность, тем самым повышая их способность использовать доступные энергетические ресурсы. Признавая МПП в качестве руководящего принципа, Одум подчеркивает его объяснительную силу в понимании динамики экосистем, взаимодействий популяций и эволюционных траекторий.

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.

Определение в словах

Одум и др. рассматривали теорему о максимальной мощности как принцип взаимного отбора по энергоэффективности, имеющий более широкое применение, чем только в электронике. Например, Одум видел проявление этого принципа в открытых системах, использующих солнечную энергию, таких как фотоэлектрические преобразователи и фотосинтез (1963, с. 438). Подобно теореме о максимальной мощности, формулировка Одума принципа максимальной мощности основывается на понятии «согласования», согласно которому высококачественная энергия максимизирует мощность за счет согласования и усиления потоков энергии (1994, с. 262, 541): «В устойчивых системах, вероятно, происходит согласование высококачественной энергии с большим количеством низкокачественной энергии» (1994, с. 260). Как и в случае с электронными схемами, результирующая скорость преобразования энергии будет максимальной при промежуточной энергоэффективности. В 2006 году Т. Т. Кай, К. Л. Монтегю и Дж. С. Дэвис отметили, что «принцип максимальной мощности может служить ориентиром для понимания закономерностей и процессов развития и устойчивости экосистем. Этот принцип предсказывает селективное сохранение экосистемных конструкций, использующих ранее не задействованный источник энергии» (2006, с. 317). В ряде своих работ Х. Т. Одум приводил машину Атвуда в качестве практического примера «принципа» максимальной мощности.

Математическое определение

Математическое определение, данное Х.Т. Одумом, формально аналогично определению, представленному в статье о теореме максимальной мощности. (Краткое объяснение подхода Одума к взаимосвязи экологии и электроники можно найти в статье «Экологический аналог закона Ома»).

Современные идеи

Не имеет значения, можно ли считать принцип максимальной энергоэффективности четвертым законом термодинамики и четвертым принципом энергетики. Тем не менее, Х. Т. Одум также предложил следствие принципа максимальной мощности как организационный принцип эволюции, описывая эволюцию микробиологических систем, экономических систем, планетарных систем и астрофизических систем. Он назвал это следствие принципом максимального расширения (или максимального наращивания мощности). Это было предложено, поскольку, как отмечают С. Э. Йоргенсен, М. Т. Браун, Х. Т. Одум (2004), К. Джаннантони, возможно, внес путаницу, когда написал: "Принцип "максимального расширения (или максимального наращивания мощности)" (Лотка–Одум) обычно считается "четвертым термодинамическим принципом" (в основном) из-за его практической применимости к очень широкому классу физических и биологических систем" (C. Giannantoni 2002, § 13, с. 155). Тем не менее, Джаннантони предложил принцип максимального расширения (или максимального наращивания мощности) в качестве четвертого принципа термодинамики (Giannantoni 2006). Предыдущее обсуждение неполно. Принцип "максимальной мощности" был открыт несколько раз независимо друг от друга в физике и инженерии, см.: Новиков (1957), Эль-Вакиль (1962) и Курзон и Альборн (1975). Некорректность этого анализа и выводов об эволюции конструкций была продемонстрирована Гифтопулосом (2002).