שינויים

'''השפעות החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה''' הוא תחום חקר ההשפעות של [[החוק השני של התרמודינמיקה]] בתחומי ה[[ביולוגיה]] בכלל, ובתחום ה[[אקולוגיה]] בפרט. החוק עצמו ובעיקר ניסוחים מאוחרים שלו, הוא בעל השפעות נרחבות על ההבנה של היצורים החיים כמו גם של [[המערכת האקולוגית]], שבמינוח [[תרמודינמיקה|תרמודינמי]] מהוות דוגמאות של [[מערכת מפזרת|מערכות מפזרות]].  

'''השפעות החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה''' הוא תחום חקר ההשפעות של [[החוק השני של התרמודינמיקה]] בתחומי ה[[ביולוגיה]] בכלל, ובתחום ה[[אקולוגיה]] בפרט. החוק עצמו ובעיקר ניסוחים מאוחרים שלו, הוא בעל השפעות נרחבות על ההבנה של היצורים החיים כמו גם של [[המערכת האקולוגית]], שבמינוח [[תרמודינמיקה|תרמודינמי]] מהוות דוגמאות של [[מערכת מפזרת|מערכות מפזרות]].  

כבר בשנת 1886 טען הפיזיקאי [[בולמצן]] כי המאבק בין היצורים החיים הוא על [[אקסרגיה]] ועל הורדת [[אנטרופיה]].  

כבר בשנת 1886 טען הפיזיקאי [[לודוויג בולצמן]] כי המאבק בין היצורים החיים הוא על [[אקסרגיה]] ועל הורדת [[אנטרופיה]].  

בשנת 1944 כתב ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger) ספר בשם "מהם החיים?" (What is Life?) שבו ניסה לקשור בין תהליכים ביולוגיים לבין פיזיקה וכימיה. שרדינגר מבחין בין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך סדר" (התהליך הגנטי של הורשת תכונות ההורים לצאצאים באמצעות הגנים), ובין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך אי סדר". במבט ראשון, נראה כי היצורים החיים מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה משום שהם מצליחים לייצר סדר ו[[מערכות מורכבות]] מתוך אי הסדר. לדוגמה, הצמחים הם מבנה מסודר מאוד אשר מסונתזים מתוך מולקולות ואטומים בלתי מסודרים סביבם.   

בשנת 1944 כתב ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger) ספר בשם "מהם החיים?" (What is Life?) שבו ניסה לקשור בין תהליכים ביולוגיים לבין פיזיקה וכימיה. שרדינגר מבחין בין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך סדר" (התהליך הגנטי של הורשת תכונות ההורים לצאצאים באמצעות הגנים), ובין היכולת של החיים לקיים "סדר מתוך אי סדר". במבט ראשון, נראה כי היצורים החיים מפרים את החוק השני של התרמודינמיקה משום שהם מצליחים לייצר סדר ו[[מערכות מורכבות]] מתוך אי הסדר. לדוגמה, הצמחים הם מבנה מסודר מאוד אשר מסונתזים מתוך מולקולות ואטומים בלתי מסודרים סביבם.   

חום הגוף נוצר על ידי תהליכי בערה פנימיים בתאים, והוא תלוי בכמות התאים החיים, או במסה של גוף החיה (בלי להתחשב בפרווה או שערות, שאינן מורכבים מתאים חיים). לעומת זאת, איבוד החום לסביבה, תלוי (מלבד גורמים נוספים כמו מפל הטמפרטורות שהוזכר, ואיכות הבידוד של מעטפת החיה) בשטח הפנים של עור או פרוות החיה - ככל ששטח הפנים גדול יותר כך החיה מאבקת כמות גדולה יותר של חום. עם זאת כאשר החיה גדולה יותר, הנפח והמסה שלה גדלים מהר יותר לעומת שטח הפנים שלה. כיוון שכך, ככל שבעל החיים גדול יותר, כך קל לו יותר לשמור על טמפרטורה קבועה של הגוף.  

חום הגוף נוצר על ידי תהליכי בערה פנימיים בתאים, והוא תלוי בכמות התאים החיים, או במסה של גוף החיה (בלי להתחשב בפרווה או שערות, שאינן מורכבים מתאים חיים). לעומת זאת, איבוד החום לסביבה, תלוי (מלבד גורמים נוספים כמו מפל הטמפרטורות שהוזכר, ואיכות הבידוד של מעטפת החיה) בשטח הפנים של עור או פרוות החיה - ככל ששטח הפנים גדול יותר כך החיה מאבקת כמות גדולה יותר של חום. עם זאת כאשר החיה גדולה יותר, הנפח והמסה שלה גדלים מהר יותר לעומת שטח הפנים שלה. כיוון שכך, ככל שבעל החיים גדול יותר, כך קל לו יותר לשמור על טמפרטורה קבועה של הגוף.  

מסיבה זו לדוגמה, חדפים אוכלים בכל יום מזון במשקל 1.5 ממשקל גופם, בעוד פילים, שזקוקים אמנם למזון בכמות גדולה בהרבה, ניזונים ממזון בעל משקל שמהווה אחוזים בודדים ממשקל גופם. יחסית למשקל גופם (ויחסית למשקל מזונם), כמות החום שבורחת מהחדפים היא עצומה, ולכן הם צריכים לאכול ללא הרף. מסיבה זו, כנראה, גם אין יונקים קטנים יותר מאשר החדף וציפורים קטנות יותר מיונק הדבש - שמירה על טמפרטורת חום קבועה יחסית עבור חיות קטנות (כמו חרקים) היא משימה בלתי אפשרית.

מסיבה זו חדפים לדוגמה אוכלים בכל יום מזון במשקל 1.5-2 ממשקל גופם, כאשר מזון זה הוא בשרי ועתיר אנרגיה.[http://en.wikipedia.org/wiki/Etruscan_shrew] לעומת זאת אדם רגיל ששוקל כ-70 ק"ג צריך לאכול מזון במשקל  1-2 ק"ג [http://www.express.co.uk/news/weird/437344/Average-human-grows-590-miles-of-hair-and-eats-35-tons-of-food-AMAZING-human-stats] כלומר פחות מ-3% ממשקל גופו. הסיבה היא שביחס למסה שטח הפנים של החדף גדול בהרבה מזה של אדם, ולכן כמות החום שבורחת מהחדפים בכל שעה היא עצומה, כך שהם הם צריכים לאכול ללא הרף. פילים, זקוקים כ-150 ק"ג מזון ביום (מזונם דל בהרבה מתזונת האדם בשל תכולה גבוה של סיבים) שמהווים 3-1.5 אחוז ממשקל גופם.[http://en.wikipedia.org/wiki/Elephant].  מסיבה זו, כנראה, גם אין יונקים קטנים יותר מאשר החדף וציפורים קטנות יותר מיונק הדבש - שמירה על טמפרטורת חום קבועה יחסית עבור חיות קטנות (כמו חרקים) היא משימה בלתי אפשרית.

==רמות טרופיות במערכת אקולוגית==

==רמות טרופיות במערכת אקולוגית==

נניח נתונה לנו [[מערכת אקולוגית]] כלשהיא. כמות הזאבים במערכת תלויה בכמות הצרכנים הראשונים (אוכלי עשב וצמחונים אחרים) שתלויה בכמות הצמחייה שיש. בהיבט זה, של [[רמות טרופיות]], למערכת האקולוגית יש מבנה היררכי.

נניח נתונה לנו [[מערכת אקולוגית]] כלשהיא. כמות הזאבים במערכת תלויה בכמות הצרכנים הראשונים (אוכלי עשב וצמחונים אחרים) שתלויה בכמות [[ייצור ראשוני|הצמחייה]] שיש. בהיבט זה, של [[רמות טרופיות]], למערכת האקולוגית יש מבנה היררכי. בגלל [[החוק השני של התרמודינמיקה]] יש איבוד של אנרגיה בכל טרנספורמציה של אנרגיה.  

נחשוב על [[חברת שיא]] של [[יער]] שאינו גדל בשטחו והוא נמצא ב[[מצב יציב]] שבו כל הכמות הנוספת של צמחיה שגדלה נאכלת על ידי אוכלי צמחים, שבתורם נאכלים על ידי טורפים. על פי החישובים של אודום, צמחים מסוגלים לקיים 2 ק"ג למטר רבוע, בעוד טורף על, כמו נמר, מצליח לקיים 0.00002 ק"ג למטר רבוע.  

האקולוג [[האווארד ת. אודום]] ערך תחשיבים של זרימה תרמודינמית במערכות אקולוגיות. נדמיין לדוגמה [[חברת שיא]] של [[יער]] שאינו גדל בשטחו והוא נמצא ב[[מצב יציב]] שבו כל הכמות הנוספת של צמחיה שגדלה נאכלת על ידי אוכלי צמחים, שבתורם נאכלים על ידי טורפים. על פי החישובים של אודום, צמחים מסוגלים לקיים 2 ק"ג למטר רבוע, בעוד טורף על, כמו נמר, מצליח לקיים 0.00002 ק"ג למטר רבוע.  

נניח (לשם נוחות החישוב) שצמחים, בעלי חיים צמחוניים וטורפים הם כולם בעלי משקל גוף זהה, פרוש הדבר הוא שיהיו הרבה יותר צמחים מאשר בעלי חיים צמחוניים, והרבה יותר בעלי חיים צמחוניים יחסית לטורפים. אם נמר שוקל 250 ק"ג נדרש שטח יער של 12.5 קמ"ר כדי להחזיק נמר אחד ולכן בשטח של 100 קילומטרים רבועים יהיו עד 8 נמרים, בעוד שלפי החישוב של אודום אם נניח שכל צמח שוקל 250 ק"ג יהיו בשטח זה 800 אלף צמחים. פרוש הדבר גם, שצמחים תופסים 98% מה[[ביומאסה]], טורפי על מהווים 0.001% מהביו-מאסה, שהם מאית הפרומיל. במילים אחרות, יש צורך בצמחים במשקל 100,000 ק"ג כדי להחזיק בחיים 1 ק"ג של טורף על. <ref>[http://books.google.co.il/books?id=Ehb-r7Vr71UC&pg=PA25 The Biofuel Delusion: The Fallacy of Large Scale Agro-biofuels Production][[קוזו מיומי]] [[מריו גיאמפיטרו]], 2009, עמוד 25. </ref>

נניח (לשם נוחות החישוב) שצמחים, בעלי חיים צמחוניים וטורפים הם כולם בעלי משקל גוף זהה, פרוש הדבר הוא שיהיו הרבה יותר צמחים מאשר בעלי חיים צמחוניים, והרבה יותר בעלי חיים צמחוניים יחסית לטורפים. אם נמר שוקל 250 ק"ג נדרש שטח יער של 12.5 קמ"ר כדי להחזיק נמר אחד ולכן בשטח של 100 קילומטרים רבועים יהיו עד 8 נמרים, בעוד שלפי החישוב של אודום אם נניח שכל צמח שוקל 250 ק"ג יהיו בשטח זה 800 אלף צמחים. פרוש הדבר גם, שצמחים תופסים 98% מה[[ביומאסה]], טורפי על מהווים 0.001% מהביו-מאסה, שהם מאית הפרומיל. במילים אחרות, יש צורך בצמחים במשקל 100,000 ק"ג כדי להחזיק בחיים 1 ק"ג של טורף על. <ref>[http://books.google.co.il/books?id=Ehb-r7Vr71UC&pg=PA25 The Biofuel Delusion: The Fallacy of Large Scale Agro-biofuels Production][[קוזו מיומי]] [[מריו גיאמפיטרו]], 2009, עמוד 25. </ref>

מהטבלה של אודום ניתן לראות כי בעלי החיים הצמחוניים מתקשים להפיק אנרגיה מהצמחים - יחס הביומסה שלהם יחסית לביומסה של המזון שלהם הוא 1 ל-55 (1.7 חלקי 98). לעומת זאת טורפים למיניהם מקבלים מזון מרוכז יותר והיחס בין ק"ג מסה שלהם לבין ק"ג מסה של הטרף שלהם עומד על סדר גודל של 1 ל-10.  

מהטבלה של אודום ניתן לראות כי בעלי החיים הצמחוניים מתקשים להפיק אנרגיה מהצמחים - יחס הביומסה שלהם יחסית לביומסה של המזון שלהם הוא 1 ל-55 (1.7 חלקי 98). לעומת זאת טורפים למיניהם מקבלים מזון מרוכז יותר והיחס בין ק"ג מסה שלהם לבין ק"ג מסה של הטרף שלהם עומד על סדר גודל של 1 ל-10.  

בכל מקרה דבר זה מסביר מדוע [[צמחונות|תזונה צמחונית]] היא באופן כללי בעלת יעילות אנרגטית גבוהה יותר יחסית לתזונה בשרית. שכן אם נגדל תרנגולת על זרעי [[חיטה]], התרנגולת תבזבז את רוב האנרגיה שהיא צברה על ידי פליטת חום, ואם נאכל את התרנגולת או את הביצים שהיא מטילה, נקבל רק חלק קטן מתוך האנרגיה שהיתה גלומה בזרעים. לכן פעילי [[סביבתנות|סביבה]] ו[[זכויות בעלי חיים]] מצביעים על כך שהאבסת חיות משק בגרעינים משולה לבזבוז מזון. דבר זה יש לסייג לגידול גרעינים או מזונות שבני אדם יכולים לאכול והאכלת חיות בהן ואז צריכת מזון מהחי. יש תנאי אקלים שבהם קשה לגדול תבואה או פירות אך ניתן לגדל בהם חיות מרעה (כך הדבר לדגומה בתנאי מדבר ויובש), יש גם חומר שאריתי מגידול יבולים (קנה החיטה לדוגמה). החיות הצמחוניות מסוגלות לעכל צלולוזה שבני האדם אינם מסוגלים לעכל - ולכן במקרה זה מזון מהחי יכול להגביר את כמות המזון שניתן להפיק משטח נתון.

החישובים של אודום מסביר מדוע [[צמחונות|תזונה צמחונית]] שמקורה ב[[חקלאות]] היא באופן כללי בעלת [[יעילות אנרגטית]] גבוהה יותר יחסית לתזונה בשרית (היעילות האנרגטית מתייחסת לכלל השקעת האנרגיה במערכת כדי להחזיק בחיים אדם אחד ולאו דווקא לאנרגיה שאותה משקיע אותו אדם). כך, אם נגדל תרנגולת על זרעי [[חיטה]], התרנגולת תבזבז את רוב האנרגיה שהיא צברה על ידי פליטת חום, ואם נאכל את התרנגולת או את הביצים שהיא מטילה, נקבל רק חלק קטן מתוך האנרגיה שהיתה גלומה בזרעים אותם אכלה.  

 

מסיבה פעילי [[סביבתנות|סביבה]] ו[[זכויות בעלי חיים]] מצביעים על כך שהאבסת חיות משק בגרעינים משולה ל[[בזבוז מזון]]. יש לסייג היבט זה לגידול [[דגנים|גרעינים]] או מזונות שבני אדם יכולים לאכול והאכלת חיות במזונות אלה ואז צריכת מזון מהחי (או לשימוש בשטחי חקלאות באקלים שיכול לשמש לגידול יבול לבני אדם לשם גידול יבולים לבעלי חיים). יש תנאי אקלים שבהם קשה לגדול תבואה או פירות אך ניתן לגדל בהם חיות מרעה (כך הדבר לדוגמה בתנאי מדבר ויובש), יש גם חומר שאריתי מגידול יבולים (קנה החיטה לדוגמה). החיות הצמחוניות מסוגלות לעכל צלולוזה שבני האדם אינם מסוגלים לעכל - ולכן במקרה זה מזון מהחי יכול להגביר את כמות המזון והאנרגיה שניתן להפיק משטח נתון.

==ניסוח החוק השני של שניידר וקיי==

==ניסוח החוק השני של שניידר וקיי==

הניסוח המסורתי של החוק השני של התרמודינמיקה עוסק ב[[מערכות מבודדות]] המתקרבות לשיווי משקל תרמודינמי. ניסוח זה אומר מעט מידי על התנהגותן של [[מערכות תרמודינמיות פתוחות]], אשר [[אנרגיה]] זורמת לתוכן ללא הרף ממקור חיצוני והן נמצאות ב[[מצב יציב]] רחוק משיווי משקל תרמודינמי. החל משנות ה-70 היו מספר נסיונות לנסח מחדש את החוק כך שהוא יהיה תלוי פחות בהגדרות של [[אנטרופיה]] ובמצבים סטטיים ויעסוק בתהליכים תרמודינמיים רחבים יותר.  

הניסוח המסורתי של [[החוק השני של התרמודינמיקה]] עוסק ב[[מערכות מבודדות]] המתקרבות לשיווי משקל תרמודינמי. ניסוח זה אומר מעט מידי על התנהגותן של [[מערכות תרמודינמיות פתוחות]], אשר [[אנרגיה]] זורמת לתוכן ללא הרף ממקור חיצוני והן נמצאות ב[[מצב יציב]] רחוק משיווי משקל תרמודינמי. החל משנות ה-70 היו מספר נסיונות לנסח מחדש את החוק כך שהוא יהיה תלוי פחות בהגדרות של [[אנטרופיה]] ובמצבים סטטיים ויעסוק בתהליכים תרמודינמיים רחבים יותר.  

ב-1994 הציעו אריק שניידר וג'יימס קיי (בעקבות Kestin) ניסוח מחודש של החוק שמתאים לתהליכים תרמודינמיים שרחוקים משיווי משקל.<ref name="Schneider_Kay_1994"/>  

ב-1994 הציעו אריק שניידר וג'יימס קיי (בעקבות Kestin) ניסוח מחודש של החוק שמתאים לתהליכים תרמודינמיים שרחוקים משיווי משקל.<ref name="Schneider_Kay_1994"/>  

הם מדגימים את ההגדרה שלהם באמצעות תא ברנארד Bénard cell. כאשר מגדילים את הפרשי הטמפרטורה בין מאגר חם למאגר קר הנוזל באמצע מפתח "תאי זרימה", ותאים אלה (שהם מבנים מסודרים יותר) מגדילים את הקצב הבזבוז או הפיזור של האנרגיה וכן את קצב ההרס של ה[[אקסרגיה]]. כמו כן, התאים עצמם הם אזורים איזותרמיים כלומר בתוכם יש טמפרטורה אחידה, מפל הטמפרטורות מתקיים רק בשכבות הגבול שהופכות יותר ויותר דקות. אם רוצים להגדיל את הפרשי הטמפרטורה בין המאגר החם והקר יש צורך להשקיע יותר ויותר עבודה כדי לבצע דבר זה (היות ומערכת הופכת יעילה יותר בהשוואת הטמפרטורות ביניהם). הם מראים כי קצב הבזבוז של החום, קצב ייצור האנטרופיה במערכת, וקצב ההרס של ה[[אקסרגיה]] גדלים כולם ככל שעוצמת הגרדינאט עולה, והם עולים בקצב הולך ומתחזק ככל שהגרדיאנט גדל. הופעת המבנה המסודר (תאי ברנארד שהם דוגמה ל[[ארגון עצמי]]) החל מגרדינאט מסויים, מגדילה את קצב הבזבוז של חום והאקסרגיה בכל גרדינאט נתון, וזאת בהשווה לקצב הפיזור ללא נוכחות של תאי ברנארד.

הם מדגימים את ההגדרה שלהם באמצעות תא ברנארד Bénard cell. כאשר מגדילים את הפרשי הטמפרטורה בין מאגר חם למאגר קר הנוזל באמצע מפתח "תאי זרימה", ותאים אלה (שהם מבנים מסודרים יותר) מגדילים את הקצב הבזבוז או הפיזור של האנרגיה וכן את קצב ההרס של ה[[אקסרגיה]]. כמו כן, התאים עצמם הם אזורים איזותרמיים כלומר בתוכם יש טמפרטורה אחידה, מפל הטמפרטורות מתקיים רק בשכבות הגבול שהופכות יותר ויותר דקות. אם רוצים להגדיל את הפרשי הטמפרטורה בין המאגר החם והקר יש צורך להשקיע יותר ויותר עבודה כדי לבצע דבר זה (היות ומערכת הופכת יעילה יותר בהשוואת הטמפרטורות ביניהם). הם מראים כי קצב הבזבוז של החום, קצב ייצור האנטרופיה במערכת, וקצב ההרס של ה[[אקסרגיה]] גדלים כולם ככל שעוצמת הגרדינאט עולה, והם עולים בקצב הולך ומתחזק ככל שהגרדיאנט גדל. הופעת המבנה המסודר (תאי ברנארד שהם דוגמה ל[[ארגון עצמי]]) החל מגרדינאט מסויים, מגדילה את קצב הבזבוז של חום והאקסרגיה בכל גרדינאט נתון, וזאת בהשווה לקצב הפיזור ללא נוכחות של תאי ברנארד.

להגדרה זו יתרון נוסף והוא שאין צורך להשתמש בה במשתני מצב כמו אנטרופיה המוגדרים רק למצבים של שיווי משקל.

להגדרה זו יתרון נוסף והוא שאין צורך להשתמש בה במשתני מצב כמו [[אנטרופיה]] המוגדרים רק למצבים של שיווי משקל.

שניידר וקיי מדגימים את ההגדרה שלהם על פני מערכות נוספות כמו מערכות זרימת נוזלים עקב גרביטציה ומערכות כימיות. הם גם מאזכרים מאמר של Paltridge (1979)  שטוען כי במערכת האמטוספרית, מערכת האקלים מכוונת את עצמה למצב שיגרום למקסימום פיזור של אקסרגיה וכי הפיזור העולמי של עננים, טמפרטורה וזרמי אנרגיה אנכיים נשלטים על ידי תהליכי פיזור אנרגיה דומים לתאוריה שלהם.

שניידר וקיי מדגימים את ההגדרה שלהם על פני מערכות נוספות כמו מערכות זרימת נוזלים עקב גרביטציה ומערכות כימיות. הם גם מאזכרים מאמר של Paltridge (1979)  שטוען כי במערכת האמטוספרית, מערכת האקלים מכוונת את עצמה למצב שיגרום למקסימום פיזור של אקסרגיה וכי הפיזור העולמי של עננים, טמפרטורה וזרמי אנרגיה אנכיים נשלטים על ידי תהליכי פיזור אנרגיה דומים לתאוריה שלהם.

==ראו גם==

==ראו גם==

* [[החוק השני של התרמודינמיקה]]

* [[החוק השני של התרמודינמיקה]]

* [[מערכת מפזרת]]

* [[מערכת מפזרת]]

* [[עקרון העוצמה המקסימילית]]

* [[עקרון העוצמה המקסימילית]]

==הערות שולייים==

==הערות שולייים==

* [http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh%E2%80%93B%C3%A9nard_convection הולכת חום בתא ברנרד] בויקיפידה האנגלית.  

* [http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh%E2%80%93B%C3%A9nard_convection הולכת חום בתא ברנרד] בויקיפידה האנגלית.  

* [http://www.youtube.com/watch?v=UhImCA5DsQ0 הולכת חום בתא ברנרד] סרטון ביו-טיוב שמדגים היווצרות של "תאים" עקב הולכת חום.  

* [http://www.youtube.com/watch?v=UhImCA5DsQ0 הולכת חום בתא ברנרד] סרטון ביו-טיוב שמדגים היווצרות של "תאים" עקב הולכת חום.  

[[קטגוריה:אקולוגיה]]

[[קטגוריה:אקולוגיה]]

[[קטגוריה:תרמודינמיקה]]

[[קטגוריה:תרמודינמיקה]]

[[קטגוריה:ביולוגיה]]

[[קטגוריה:ביולוגיה]]