Adobe Systems
Stabilita a chaos v ekologii
Inovace a rozšíření výuky zaměřené
na problematiku životního prostředí na PřF MU (CZ.1.07/2.2.00/15.0213) spolufinancován Evropským
sociálním fondem a státním rozpočtem
České republiky

Adobe Systems
Quo vadis ecosystems?
http://www.sentryjournal.com/wp-content/uploads/2011/05/rifle-target.jpg

Definice:
Energie, je hlavním konceptem termodynamiky, je definována jako schopnost systému zapříčinit změnu,
například konat mechanickou, termální, chemickou, elektrickou nebo jinou práci
Emergie, je množství energie za slunce, které bylo na daném místě a v průběhu daného času použito
k vytvoření daného systému, což může být ekosystém ale i umělý systém antropogenního původu
Em-power, je rychlost toku emergie měřená v jednotlách J/s

Exergie, je maximálním množstvím energie, která může být získána ze systému, jeho převedení do
stavu rovnováhy s prostředím, pod podmínkou, že supersystém: prostředí + systém je uzavřený. Bývá
nazývána také volnou energií

Růst ekosystému
růst biomasy systému, biomasa je rezervoárem volné energie slunečního záření, ovšem biomasa rovněž
vyžaduje energii pro udržování (regenerace, procesy výživy), s procesy udržování je spojena
disipace odpadního tepla: produkce entropie systému
růst komplexity sítě, to znamená efektivnější recyklace hmoty v systému a růst efektivity využití
energie
růst informačního obsahu, zvyšování genetické a biologické diverzity, růst specializace v rámci
ekosystému: posun od r-strategie ke K-strategii, takovíto živočichové produkují méně „odpadních
produktů a nesou v sobě více informace
http://www.speirsjeffrey.co.uk/files/6013/4623/4242/forest.jpg
vzrůst exergie

http://nd03.jxs.cz/021/513/f84898d83c_58311694_o2.jpg
•biomasa ekosystému roste
•
•změna počtu zpětných vazeb: během progresivní evoluce nárůst
•
•nárůst respirace
•
•respirace vzhledem k biomase klesá
•
•specifická produkce entropie, vzhledem k biomase, klesá
•
•celková produkce entropie stoupá a nakonec se ustálí na stálé úrovni
•
•množství informace vzrůstá (více druhů, druhy s větším počtem genů, biochemie se více
diverzifikuje)




http://www.antipixel.com/blog/archives/images/yakushima/yakushima_forest_day1_lg.jpg
Který proces patří ke které fázi?


Jak popsat stav a směrování ekosystémů?
http://nd03.jxs.cz/021/513/f84898d83c_58311694_o2.jpg
Naším cílem je popsat stav ekosystému pomocí souboru veličin, které by odrážely:
•jeho vzdálenost od termodynamické rovnováhy, tedy sukcesní vyzrálost
•
•evoluční směřování ekosystému
•
•stabilitu ekosystému
•
•míru jeho narušení člověkem

http://prblog.typepad.com/strategic_public_relation/images/2007/06/22/simple_social_network.png
Ascedance
ekosystém: síť vztahů
kapacita sítě (NC, network capacity)
průměrná informační interakce (AMI, average mutual information)
celkový energo-materiálový tok systémem J
ascendance má vztah k primární produkci

http://imgc.allpostersimages.com/images/P-473-488-90/61/6177/V8G1100Z/posters/donato-creti-creti-th
e-sun-1711.jpg
Emergie
Emergie může být interpretována jako cena daného ekosystému a jeho udržování v jednotkách sluneční
energie.
Emergie je extenzivní stavovou veličinou a udává, kolik sluneční energie je třeba pro výstavbu
různých „typů“ biomasy.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/af/Aten.svg/769px-Aten.svg.png




http://drpinna.com/wp-content/uploads/2010/09/Supply-Demand-photo.jpg
1. bylo empiricky zjištěno, že rychlost metabolických procesů v ekosystémech je funkcí jejich
hmotnosti (biomasy)
r ∝ M3/4
tedy rychlost metabolismu s rostoucí hmotností klesá
2. ekosystém může být popsán sítí objektů a toků
Supply – demant indicator
http://www.horackova.cz/pracezaku/wwwpages1011_5c/kverkovam/mysak.jpg
http://blogs.20minutos.es/cronicaverde/files/11-mamut.jpg

jedinec
ekosystém


http://www.induron.com/blog/wp-content/uploads/2012/01/Worker-safety.jpg
Exergie
Exergie je definována jako maximální množství užitečné práce, které je systém schopen vykonat,
cestou k rovnovážnému stavu (termodynamické rovnováze) ze svým prostředím.
ΔAmax = -ΔG
Rozdíl mezi exergií a volnou energií (energií dostupnou pro konání práce) je v tom, že pro případ
exergie, můžeme v jednotlivých případech zvolit vhodný referenční stav.
Pro účely měření exergie v ekosystémech je vhodné vzít za referenční stav situaci, kdy jsou všechny
sloučeniny anorganické a v maximálním oxidačním stavu.

Bilance exergie ekosystému
Et = Ex + Aen
diEx/dt < 0
deEx/dt > 0
pokud je |diEx/dt| < deEx/dt
systém má přebytek exergie a může zvyšovat svou vnitřní uspořádanost, což je u našich ekosystémů
z hlediska ročního cyklu běžný případ v jarním a letním období
dEx = diEx + deEx
http://cemca.org/easynow/images/tropic.jpg
Q

Jak lze vyčíslit exergii ekosystému?
pro ekosystém:
•energie biomasy
•
•energie informačního obsahu
•
•energie komplexity sítě vztahů
http://markyoungtrainingsystems.com/wp-content/uploads/2012/04/Fire.jpg
pro biomasu
pamatujete na Gibbsovu rovnici?
dU = TdS – pdV + ∑ μmdnm
můžeme aproximovat celkovým množstvím biomasy v ekosystému

Energetická cena informačního obsahu živého systému ?
http://gambrinus.cz/centrum-informaci/vtipky%20foto/zaba_390.jpg
živá žába o hmotnosti 20g: 257 MJ
mrtvá žába o hmotnosti 20g: 374 kJ
Výraz je znám z teorie informace, informačního vyjádření entropie, ale stejnou formu zápisu má
třeba i Shannonův-Weaverův index pro biodiverzitu.

Koncept exergie a degradace ekosystémů
•Koncept exergie nám umožňuje rovněž kvantitativně vyjádřit míru, s jako člověk poškozuje globální
ekosystém.
•
•Pokud jsou například těžké kovy mobilizovány ze svých rud a rozptylovány do prostředí, projeví se
to vzhledem k jejich toxicitě ztrátou exergie z ekosystémů.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Tera-ethyl-lead-chemical.png/200px-Tera-et
hyl-lead-chemical.png http://www.novinite.com/media/images/2009-03/photo_verybig_102189.jpg
ztráta exergie v důsledku chemické-difúzní kontaminace

V souvislosti s přidáváním tetraethylolova do benzínu, bylo v průměru ročně uvolněno do ovzduší 400
000 t tohoto toxického kovu.
Průměrná koncentrace Pb v rudě je 0,05 kg Pb/kg horniny.
Průměrná koncentrace Pb v současném znečištěném prostředí je 1 μg/kg půdy.
Molární hmotnost Pb je 207 g/mol, uvažujeme teplotu 300 K.
Jaký je hrubý odhad ztráty exergie globálního ekosystému v souvislosti s tímto znečištěním?
http://www.waldeneffect.org/20111023leadcontamination.jpg
Jaká je roční ztráta exergie v globálním ekosystému vlivem vstupů olova z benzínu?

Pb 85000 GJ/rok
Cr 32000
Ni 15000
Zn 80000
Cu 18000
Hg 27000
23611300 kWh ≈ 23,6 GWh
To odpovídá energii, jakou lze v průměru získat spálením 55000 tun hnědého uhlí.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Tera-ethyl-lead-chemical.png/200px-Tera-et
hyl-lead-chemical.png

Čtvrtý zákon termodynamiky
Pokud pozorujeme evoluci nebo sukcesi
ekosystému, vidíme spění ke stále větší
komplexnosti a tendenci využít ekologických
nik v maximální možné míře.

Zdá se tedy, že živé systémy směřují samovolně k jistému cíli.
Chceme pochopit toto směřování:
•musíme cíl jasně určit (pomocí měřitelných veličin)
•
•jaké jsou cesty k cíli?
•
•proč právě tento cíl?
http://www.imi.cz/data/foto/rozmer-3/8011000AV1_a.jpg http://www.knihynahory.cz/files/kct94.jpg
http://www.fotokrajina.cz/photos/vyhled-z-carolafelsen-115.jpg http://mfatra16.xf.cz/map55.jpg

http://img218.imageshack.us/img218/2647/lotka1resizeddn2.png
jedním z prvních, kdo se pokusil popisovat evoluci živých systémů pomocí parametrů spjatých
energetickou interakcí systém-prostředí, byl Alfred James Lotka (March 2, 1880 – December 5, 1949)
Lotkův názor zní, že ekosystém se během své evoluce snaží optimalizovat tok užitečné energie, která
u ekosystémů s první trofickou úrovní zelených rostlin, pochází z energie slunečního záření
díky nápadnému spojení tohoto principu s Darwinovým konceptem fitness, bývá tento princip nazýván
Lotka-Darwinovým principem
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/67/Fitness-landscape-cartoon.png/220px-Fitnes
s-landscape-cartoon.png

Lotka ve své práci hovoří o volné (dostupné) energii v souladu s Gibbsovou definicí a odvolává se
Boltzmanovu práci:
„If sources are presented, capable of supplying available energy in excess of that actually being
tapped by the entire system of living organisms, then an opportunity is furnished for suitably
constituted organisms to enlarge the total energy flux through the system”
„In every instance considered, natural selection will so operate as to increase the total mass of
the organic system, to increase the rate of circulation of matter through the system, and to
increase the total energy flux through the system, so long as there is presented a unutilized
residue of matter and available energy”
Tento svůj Lotka považuje za podložený na základě pozorování
a dále jej upřesňuje:
http://www.sci.muni.cz/bot_zahr/fotohub/Moniliosa.jpg
Jelikož volná energie odpovídá exergii, lze tento princip nazvat také „principem maximálního toku
exergie“.
http://www.buzzle.com/images/diagrams/food-chain-pond-ecosystem.jpg

Možné formulace „4. zákona termodynamiky“
•maximum entropy formation or dissipation (Aoki, 1988)
•minimum excess entropy (Mauersberger, 1995)
•minimum dissipation (Johnson, 1995)
•
•maximum exergy storage (Mejer and Jørgensen, 1978; Jørgensen and Mejer, 1981; Jørgensen, 1982),
•
•maximum exergy degradation or destruction (Kay and Schneider, 1992, 1994)
•maximum ascendancy (Ulanowicz, 1980)
http://www.runningbarefootisbad.com/wp-content/themes/thesis_16/custom/rotator/run4.gif
http://www.talktosix.xf.cz/PHP/pavouk.jpg
http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRvN2hE0FDCdfBGqSQnkhQnbWVHwlSeBUesrbQM6hx9iO-aQBbLJS4CXtUR
bQ
některé tyto principy lze spojit se snadno měřitelnými veličinami v ekosystémech, například:
exergie: udržitelná biomasa, produkce entropie: intenzita metabolismu, buď celého systému, nebo
vztažena na jednotku hmoty (specifická entropie), ascedance: primární produkce

Disipace a ukládání volné energie jako hlavní inspirace formulace „4. zákona termodynamiky“
v ekosystému se kombinují dva procesy:
1. udržování a regenerace stávající struktury
2. růst struktur nových
tyto dva procesy se dají označit jako: tok energie systémem a ukládání užitečné energie do systému
dilema: svět podle principu Maximálního zadržení exergie nebo svět podle principu Maximální
produkce entropie?
http://nd03.jxs.cz/819/852/c93811455e_89164055_o2.jpg
http://www.journalofanimalecology.org/SpringboardWebApp/userfiles/jane/image/mouse%20thermoimage.bm
p

http://images.nationalgeographic.com/wpf/media-live/photos/000/350/cache/free-climber-yosemite_3506
3_990x742.jpg
ekosystémy se pravděpodobně chovají jako vytrvalý lezec…
na první pohled vede zvyšování efektivity využívání zdrojů k poklesu disipace, ovšem pokud umožní
nárůst uskladněné exergie, zvýší se i „udržovací“ disipace

a jsou tedy „uspokojeny“ obě sady parametrů popisujících cíl evoluce: ty, jež „vidí“ cíl
v maximální disipaci i ty, co vidí cíl v maximální „uskladněné“ exergií

Vysvětlení následujících pozorovaných jevů z hlediska předešle uvedených principů (nebo jiná
originální vysvětlení…:-)
• ve vyšších zeměpisných šířkách je menší biodiverzita a ekosystémy mají jednodušší strukturu
•snížení druhové bohatosti ekosystémů zapříčiňuje oslabení některých procesů a nižší úroveň
primární produkce
•naopak byl pozorován nárůst čisté produkce v souvislosti s homogennějším rozložením druhů
v ekosystému
Jolstravatnet Fjord Jolster Area Norway http://imagecache6.allposters.com/LRG/20/2098/Q8R2D00Z.jpg

•proudy v mořských ekosystémech snižují dopady konkurence a predace a způsobují lokální vzrůst
biodiverzity
•v prostředí s nenaplněnou kapacitou (volnými nikami) jsou upřednostňováni r-stratégové
•na příkladu 33 jezer se ukázalo, že vyšší úroveň ukládání exergie na úrovni primárních producentů
umožňuje vyšší zisky exergie i v dalších trofických úrovních ekosystému, ovšem pokud byl jezerní
ekosystém zatížen náhlou, antropogenní eutrofizací, ekosystém se posunul blíže k termodynamické
rovnováze
http://www.nature.org/idc/groups/webcontent/@web/documents/media/coral-reef-fiji-490x250.jpg

http://alexgrey.com/a-gallery/8-24/gaia.jpg