植物吸收太阳能产生枯枝枯叶,每年哪怕有1毫米的落叶,几十亿年来地球不会变大吗?
▍┱植物吸收太阳能产生枯枝枯叶,每年哪怕有1毫米的落叶,几十亿年来地球不会变大吗?
植物吸收太阳能,把空气中的二氧化碳和水转变成葡萄糖等有机物,生长出枝叶。枝叶落地后,并不会逐年积累越积越厚。会有细菌、真菌利用它们生活,把它分解了,变成二氧化碳、水,重新回到大自然。还有一部分分解出的氮磷钾和矿物质,又被树木吸收,进入下一次从无机物到有机物的循环。
微生物分解树木枝叶的过程,根据当地的气候条件有快有慢。比较寒冷的地区,如我国东北,过程就比较慢,枝叶变成腐殖质,会在地里存留很长时间,如果落叶速度大于分解速度,腐殖质会越积越多,土地就变成黑土地。而在南方,分解速度大于掉落速度,土壤里面保留的腐殖质就很少了。
除非地球发生大的灾变,比如地震,把大量树木一下子埋到了深深的地下,隔绝了空气,植物不再会被微生物分解,在一定的条件下,就会变成煤或者石油天然气。
这就是大自然中物质在无机物和有机物之间的循环。不可能在长时间里一种物质形态只增不减。
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以植物枯叶的积累来感觉地球会随着时间的推移而增大,这不过是一个最最表观的假象而已。因为植物要产生枯叶到落到地面之前,它们必需要经历的就是先吸收地球本身的物质,然后才能合成枯叶的本身。
举个例子说,太阳每时每刻都在照射着地球,给地球输送能量,然后让地球每天都在下雨,可是38亿年以来,地球在总水量上却依旧还是跟当初的一样,这说明了什么?其实这只是说明了太阳给地球的能量只是供地球的生态系统运转而已,丝毫不会增加地球的质量。
地球上的植被,甚至是动物,它们生长的时候,所索取的必然是地球上的物质。
比如说一棵1kg的树,它是不可能单单只吸收太阳能就能长到10kg的,如果是这样的话,那么我们所说的给树浇水,给树施肥之类的操作必然也就不可能存在的了,因为我们的这些操作,本质上都是在给植物的本身来提供可以合成它们的生命体的质量而已。
如果一颗植物在没有水,没有任何其他可以给它吸收利用的营养物质的环境中,单靠着阳光来给它照射,明显谁都知道它肯定是活不了的。
所以说,枯叶本身的质量,实际上还是来自于地球的,太阳给地球提供的能量,这只不过是供地球上的质量进行流动做功而已。
这就好比地球是一辆电车,然后太阳能是电车里面的电一样,只有电车的电瓶里面有电,电车才能走,而地球呢?只有得到太阳能的供应,地球的生态系统才能运转。
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植物吸收太阳能产生枯枝枯叶,每年哪怕有一毫米的落叶,地球会变大吗?我们来看一下如果这位朋友的想法成立,地球会是什么样子呢?
科学家认为地球起源于大约45.5亿年前,不过地球上有落叶的时间可不是45.5亿年。应该自从陆地植物出现以后,地球上才有了落叶。地球上最早的陆地生植物应该是出现在5亿年前的寒武纪时期。那时候的陆地生植物生活在陆地上比较潮湿的地方,还没有大面积的覆盖陆地。如果从这个时候算起的话,5亿年的时间地球上就应该落了大约500公里厚的落叶了。
然而事实上呢?地球上并没有堆满了枯枝落叶。这是为什么呢?很显然这种想法是不正确的。
首先,植物吸收太阳能进行光合作用生长并不会让地球质量增加。在植物的光合作用过程中,绿色植物吸收太阳太阳阳光的能量,将二氧化碳和水合成富含能量的有机物。这其中光合作用的原材料,二氧化碳和水都是来自地球上,阳光只是促成二氧化碳和水完成反应的一个条件。光合作用中的物质只是转移到了植物上面,地球的总体质量并没有增加。因此植物吸收太阳能产生枯枝枯叶不会让地球质量增加。地球也就不会变大。
图示:光合作用中参加反应的物质是水和二氧化碳
其次,地球上的植物经过几亿年的繁衍生长,为什么地球上没有堆满枯枝落叶呢?这个也很好理解。这就是人们常说的那句俗话“叶落归根”。每年深秋大量的植物落叶落到地面上后就会被微生物分解掉了。这些落叶变成了泥土的一部分,或者被微生物分解为二氧化碳和水分。
我们取暖烧的煤炭就是远古时期的植物残骸演化而来的。一部分植物死亡之后,会在地壳运动的作用下被深埋到地下,经过长期的物理化学变化形成了煤碳。在这两种自然力量的作用下,地面上不会产生大量的枯枝枯叶的。
图示:落叶最终会被微生物分解掉
地球上虽然大片大片的森林,它们每年都会产生大量的枯枝落叶。这些枯枝落叶大多数会马上被地球上的微生物分解掉,剩余的养分又会重新被植物吸收利用。因此不会形成问题中想象的那样,地球上堆满了枯枝落叶。
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地球其实是一个开放系统,微生物将土壤里面有机成分分解为无机盐的等形式保留在土壤中为植物光合作用提供了养分,植物光合作用为动物提供氧气,而植物的落叶又为土壤中的微生物提供了养分,从而形成一个基本的生态系统。
而我们可以从熵增定律的角度解释为什么地球一直处于一个有序化结构。
什么是熵增定律
1854年,克劳修斯从热机的效率出发,认识到正转变(功转变成热量)可以自发进行,而负转变(热量转变成功)作为正转变的逆过程却不能自发进行。负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生,并且正转变的能量要大于负转变,这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的。
由此克劳修斯提出了热力学第二定律的又一个表述方式,也被称为熵增原理,那就是:不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(即“熵”)不会减小。
简而言之就是孤立系统的熵永不自动减少,熵在可逆过程中不变,在不可逆过程中增加,可以说非常鲜明地指出了不可逆过程的进行方向。
增原理表明,在绝热条件下,只可能发生dS≥0 的过程,其中dS = 0 表示可逆过程;dS>0表示不可逆过程,dS<0 过程是不可能发生的。但可逆过程毕竟是一个理想过程。因此,在绝热条件下,一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大,直到达到平衡态。
绝热过程是一个绝热体系的变化过程,即体系与环境之间无热量交换的过程。在绝热过程中,Q = 0 ,有ΔS(绝热)≥ 0(大于时候不可逆,等于时候可逆) 或 dS(绝热)≥0 (>0不可逆;=0可逆)
熵增原理最大的意义就是从能量品质的角度规定了能量转换过程中的方向、条件和限度问题。
熵增原理的出现表示经典力学的可逆性并不适用于所有情况,它只在有普遍的力学原理做保证的情况下才准确,热运动就是一个不可逆的过程。同时也彻底宣告了永动力的灭亡。因为从海水吸收热量做功,就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响是无法实现的。
地球因熵增定律而有序化
生物是由大量分子和原子组成的宏观系统(相对于研究亚原子事件的微观系统而言),它的代谢历程和空间结构都是有序的。
热力学第二定律指出,物理的化学的变化导致系统的无序性或随机性(即熵) 的增加。生物无休止的新陈代谢,不可避免地使系统内部的熵增涨,从而干扰和破坏系统的有序性。现代生物学证明,在生物体中同时还存在一种使熵减少的机制。
20世纪60年代,I.普里戈任提出耗散结构理论。按此理论,生物体是远离平衡的开放系统,它从环境中吸取以食物形式存在的低熵状态的物质和能,把它们转化为高熵状态后排出体外。这种不对称的交换使生物体和外界熵的交流出现负值,这样就可能抵消系统内熵的增涨。生物有序正是依赖新陈代谢这种能量耗散过程得以产生和维持的。
简单来说,地球上的生物通过从环境摄取低熵物质(有序高分子)向环境释放高熵物质(无序小分子)来维持自身处于低熵有序状态。而地球整体的负熵流来自于植物吸收太阳的光流(负熵流)产生低熵物质。使得地球上会出现生物这种有序化的结构。不至于使熵一直处于增大的状态。
其实不光是地球,人体也是如此,薛定谔就则指出,熵增过程也必然体现在生命体系当中。也就是说,生命体系中的熵也应该是不断增大的,也只能是从有序向无序发展。但是从某种角度上而言,生命的意义就在于具有抵抗自身熵增的能力,即具有熵减的能力,最典型的表现就是进食行为,我们从食物中汲取了“负熵”来维持生命的有序,即“新陈代谢的实质就是及时全部消除有机体无时无刻不产生的全部负熵”。这里的有序和无序是描述宏观态的。
因此,机体是在新陈代谢过程中成功地从周围环境中不断地吸收负熵,向周围环境释放其生命活动不得不产生的全部正的熵维持生存和进化的。总之,生命体是开放的、不可逆的非热力学平衡体系。平衡态是无序的,而非平衡态则是有序的根源,这是与热力学第二定律一致的,也是符合熵增原理的。薛定谔生动地用“生命赖负熵为生”这一句名言概括。
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看见这个问题我不禁发出了拖拉机一样的笑声,提这个问题的人难道是外星人吗?难道没见过树上掉落的枯枝败叶会腐烂吗?会自然分解吗?大道理我也不说了,我反问一句怎么不问地球上每天那么多的人拉屎,地球为什么没有变成一个大粪球[捂脸]
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