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Dem Handbuch der Umweltwissenschaften kann man verschiedene Versuche entnehmen, mit Hilfe der Thermodynamik Prinzipien zu formulieren, die die Organisation ökologischer bestimmen. Es tauchen dort auf:

  • Das Prinzip des maximalen Energieflusses
  • Das Prinzip der maximalen Entropieproduktion bzw. der maximalen Energiedissipation
  • Das Prinzip der Exergiemaximierung
  • Das Prinzip des thermodynamischen Ungleichgewichts 

Konkrete Landschaften oder Regionen thermodynamisch so zu beschreiben, dass ihre Zustände miteinander verglichen werden können, scheitert bisher an der hohen Komplexität der realen Ökosysteme, der großen Variabilität sowohl der räumlich-zeitlichen Muster als auch der Intensität abiotischer Störfaktoren und dem Mangel an systematischen, vergleichenden Langzeitstudien. Es gibt also zurzeit keine brauchbare theoretische Grundlage zur Beurteilung von ökologischer Nachhaltigkeit. 

Die Prinzipien:

  • Das Prinzip des maximalen Energieflusses:

Bei der Evolution von Ökosystemen ergeben sich als Folge der Selektionsprozesse solche Systemkonfigurationen, die in der Lage sind, den Fluss nutzbarer Energie zu optimieren. Man kann auch sagen: bei der Evolution von Ökosystemen führen die Selektionsprozesse zu Strukturen, die sich unter den gegebenen Umständen am weitesten vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernen können.

  • Das Prinzip der maximalen Entropieproduktion bzw. der maximalen Energiedissipation:

Die Erde wird als ein offenes thermodynamisches System betrachtet mit einem großen, von der Sonne geschaffenen Gradienten. Der Evolutionsprozess dieses Systems wird als ein Bemühen angesehen, diesen energetischen Gradienten mit allen physikalischen und chemischen Mitteln, die zur Verfügung stehen, abzubauen. Wachstum, Entwicklung und Evolution von Ökosystemen finden vor allem im Hinblick auf die Gewährleistung der kontinuierlichen Energiedegradation innerhalb des Gesamtsystems statt. Im Rahmen der Evolution der Ökosysteme hat die Parameterkombination (Kombination von Arten), die die ausgeprägtesten dissipativen Eigenschaften (die größte Entropieproduktion) besitzt, die besten Aussichten weiter zu bestehen.

  • Das Prinzip der Exergiemaximierung:

Exergie ist die freie Energie eines Systems relativ zu seiner Umgebung, also die Energie, die Arbeit leisten kann. Wenn in einem System ein Durchfluss von Exergie (z. B. Sonnenenergie) stattfindet, so wird das System diesen Fluss nutzen, um seinen Exergie-Gehalt zu erweitern. Dadurch entfernt es sich zunehmend vom thermodynamischen Gleichgewicht. Wenn für die Nutzung, Speicherung und Degradation der Exergie eine größere Anzahl von Prozessen (Stoffwechselpfade im Organismus, Nahrungsketten bzw. -netze im Ökosystem) zur Verfügung steht, dann wird diejenige Organisationsform selektiert, die das System unter den gegebenen Umständen mit dem größtmöglichen Betrag an Exergie versorgt.

-Leider kann Exergie nicht direkt gemessen werden. -

  • Das Prinzip des thermodynamischen Ungleichgewichts:

Ein System, das durch Anlegen eines Energiegradienten vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt wird, wird alle Möglichkeiten nutzen, um die destabilisierenden Effekte des angelegten Gradienten zu reduzieren, indem es so viele dissipative Strukturen aufbaut wie möglich. Detaillierter kann man auch formulieren: Je höher die Organisation eines Ökosystems, um so mehr Pfade der Exergiedegradation werden genutzt, um so länger ist die Residenzzeit der Energie und Nährstoffe, um so geringer sind die Verluste, wenn einzelne Stufen der Degradationsnetze betrachtet werden, und um so mehr Exergie ist erforderlich, um die Ökosystemstruktur zu erhalten. Ökosysteme entwickeln sich demnach so, dass die spezifische Entropieproduktion (bei einem Stoffwechselvorgang) abnimmt, während die Gesamtentropieproduktion des Systems zunimmt.

Literatur

S.E. Jörgensen: Thermodynamik offener Systeme und
S.E. Jörgensen: Möglichkeiten zur Integration verschiedener theoretischer Ansätze
In: Otto Fränzle, Felix Müller, Winfried Schröder (Hrsg.): Handbuch der Umweltwissenschaften. Grundlagen und Anwendungen der Ökosystemforschung. Kapitel III-1.6 und III-1.8

Ecomed Verlagsgesellschaft, Landsberg, 1997