Пределы устойчивости биосферы

 

В 1972 г. был опубликован первый доклад Римскому клубу, подготовленный Д. Медоуз и ее коллегами. Многие восприняли эту книгу как предсказание скорого конца света. Газеты во всем мире пестрели заголовками: «Компьютер заглянул в будущее, и человечество содрогнулось», «Ученые предупреждают о глобаль­ной катастрофе» и т.п.

Двадцать лет спустя Донелла и Деннис Медоуз и Йорген Рандерс написали продолжение своего фундаментального бестселле­ра — «За пределами роста. Предваряя глобальную катастрофу. Обеспечить устойчивое будущее» [61]. Проводя уточненные расчеты для усовершенствованной глобальной модели, они пришли к следующим выводам: мир ожидает не заранее предопределенное будущее, а выбор. Это выбор модели. Одна модель основана на предположении, что устойчивость биосферы беспредельна. Эта модель убийственна. Другая модель утверждает, что пределы су­ществуют, но люди не способны умерить свои потребности. Расче­ты показывают, что развитие по этой модели неизбежно ведет к катастрофе. И лишь третья модель дает человечеству шанс на спа­сение. И этот шанс состоит в том, что человечество должно изме­нить весь привычный стиль жизни, в корне перестроить систему ценностей, отдав предпочтение духовным интересам по сравнению с материальными. И кроме того, необходимо сократить числен­ность популяции вида «человек разумный», населяющей Землю.

В 1992 г. представители 166 стран собрались в Рио-де-Жанейро на конференцию ООН по окружающей среде, которая провозгла­сила принцип устойчивого развития: «Человечество способно сде-

лать развитие устойчивым — обеспечить, чтобы оно удовлетворя­ло нужды настоящего, не подвергая риску способность будущих поколений удовлетворять свои потребности». Чтобы добиться проведения этого принципа в жизнь, конференция приняла пакет программ «Повестка дня на XXI век» — руководство для практи­ческих действий на уровне национальных государств.

События последующих лет показали, что эти программы в целом выполняются неудовлетворительно. Исключение составля­ет лишь работа, проводимая в нескольких странах. Однако в миро­вом масштабе состояние окружающей среды продолжает ухуд­шаться прогрессирующими темпами. Конференция ООН «Сам­мит Земли» (Йоханнесбург, август 2002) подтвердила этот вывод. Важно поэтому поискать новые подходы к решению проблемы перехода к устойчивому развитию и, в частности, уточнить вопрос об оценке пределов устойчивости биосферы. Если эти пределы будут нарушены необратимым образом, то человечество почти наверняка лишится той экологической ниши, которую оно занимает на нашей планете. Попытаемся проанализировать эти проблемы, опираясь на методы теории самоорганизующихся систем, рассмот­ренные в ч. 1.

Чтобы не возникало путаницы, начнем с уточнения определе­ний. Будем называть биотой естественные сообщества флоры и фауны, которые подчиняются принципу Ле Шателье-Брауна и способны компенсировать все возникающие возмущения окру­жающей среды. Основная характеристика окружающей среды — концентрация тех химических соединений, которые потребляются живыми организмами. Эти химические соединения называются биогенами.

Биота не может изменить такие характеристики природы, как интенсивность солнечной радиации, скорость вращения Земли, вулканическая деятельность, рельеф местности и т.д. Однако, из­меняя в нужную сторону концентрацию биогенов, биота может компенсировать неблагоприятные для нее колебания этих харак­теристик. Поэтому в понятие окружающей среды включаются только те химические вещества, которые способны взаимодейст­вовать с биотой.

Используя эти понятия, определим биосферу как устойчивое состояние системы, которая состоит из биоты и ее окружающей среды. Устойчивость биосферы, очевидно, определяется величи­ной возмущений, за порогом которых перестает действовать прин­цип Ле Шателье-Брауна. Это определение означает, что биосферу

следует рассматривать как самоорганизующуюся систему. И сле­довательно, ее эволюция происходит в соответствии с принципами синергетики: она является открытой системой, стабильность кото­рой поддерживается нелинейными обратными связями, а при на­рушении условий устойчивости возникает состояние бифурка­ции. При этом биотическая регуляция окружающей среды осу­ществляется самой биотой.

Благодаря действию этих механизмов биосфера в целом сохра­няет устойчивое состояние гомеостаза уже более трех с половиной миллиардов лет. Проходя в процессе эволюции через кризисные периоды бифуркаций, биосфера каждый раз значительно меняет состав биоты. Примеры подобных экологических катастроф в ис­тории Земли приведены ниже.

 

Млн. лет до н.э.	Перестройка биоты
	Исчезли многие виды одноклеточных
	Исчезли почти все панцирные обитатели океана
	Погибли гигантские амфибии
	Исчезли динозавры

 

Катастрофические изменения геофизических условий на Земле приводили почти к полной смене генетического фонда биоты. Ее видовой состав каждый раз радикально менялся. При этом биота не только меняла свой состав, но и перестраивала окру­жающую среду, изменяя ее геофизические и геохимические харак­теристики.

Современная атмосфера Земли, содержащая 20% кислорода, имеет биогенное происхождение. В настоящее время биота выво­дит из оборота и захоранивает 10⁷ т углерода в год и соответственно высвобождает около 10⁸ т воды (живое вещество, как известно, на 90% состоит из воды). Из этих оценок следует, что Мировой океан также, возможно, имеет биогенное происхождение.

Поток депонирования органического углерода в осадочных по­родах совпадает с разностью его синтеза и разложения в биоте и равен 10⁷ т/г. Такое же количество неорганического углерода выбрасывается в биосферу вследствие вулканической деятельности и дегазации мантии. В результате запасы органического и неорга­нического углерода в биосфере с высокой степенью точности со­впадают на протяжении последних 600 миллионов лет.

Количество кислорода, содержащегося в атмосфере, в тысячу раз превышает величину его запаса, необходимую для окисления

всего органического углерода биосферы. Зачем биота развивает такую огромную производительность? Дело в том, что некоторые глобальные катастрофы — извержения вулканов, падения круп­ных метеоритов и т.п. — характеризуются выделением громадной энергии за очень малое время. Чтобы достаточно быстро компен­сировать эти возмущения, биосфере в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна необходим повышенный запас прочности. Огромная мощность продукции позволяет биосфере всего за десятки лет компенсировать аномально интенсивные возмущения окру­жающей среды.

Но эта огромная мощность таит в себе и опасность: если внеш­нее возмущение все же превысит порог устойчивости биосферы, то за те же несколько десятков лет она может почти полностью изме­нить свою структуру. Для человека это было бы катастрофой. Этот экологический коллапс может произойти в результате техногенно­го давления на окружающую среду.

Русский ученый Владимир Вернадский был первым, кто на­учно обосновал глобальную опасность неконтролируемой тех­ногенной деятельности человека. Возникновение термина «биосфера» восходит к трудам Ж. Бюффона, написанным в середине XVIII в. Однако первая обобщающая научная работа, посвящен­ная комплексному анализу этих проблем, была выполнена именно Вернадским. Его монография «Биосфера» была опубликована в 1926 г. [4].

«Можно без преувеличения утверждать, — говорил он в докла­де «Геохимическая энергия жизни в биосфере», прочитанном в 1927 г. в Берлине, — что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, находится под влиянием жизни, опре­деляется живыми организмами. Несомненно, что энергия, при­дающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое проис­хождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира».

Однако, предупреждал Вернадский, неконтролируемая техно­логическая деятельность может вызвать нежелательные измене­ния в этой системе, сохранявшей устойчивость в течение миллиардов лет. Человечество, пишет он, «со все усиливающимся в своем проявлении темпом, охватывает всю планету, выделяется, отходит от других живых организмов как новая, небывалая геологическая сила. Со скоростью, сравнимой с размножением, выражаемой гео-

метрической прогрессией в ходе времени, создается этим путем в биосфере все растущее множество новых для нее косных природ­ных тел и новых больших природных явлений. На наших глазах биосфера резко меняется».

Научное состояние этой проблемы, каким оно представлялось Вернадскому, вызывало у него большую тревогу. «Никакой тео­рии, — писал он в книге «Научная мысль как планетное явление», — точного научного объяснения этого основного явления в истории планеты нет. Оно создалось эмпирически и бессознательно, про­никло в науку незаметно, и история его не написана» [3].

Вернадский был совершенно прав, когда подчеркивал важность создания научного аппарата изучения взаимодействия техносфе­ры и биосферы, но ошибался, полагая, что в его время такого аппарата не было совершенно. В 1925-1929 гг. в России был опуб­ликован трехтомный труд А.А. Богданова «Всеобщая организаци­онная наука — тектология». Для обозначения этого нового научно­го направления — универсальной теории организационных про­цессов — Богданов использовал греческое слово tekton, что озна­чает «строить» [2].

«Вся человеческая активность, — разъясняет Богданов смысл своей науки, — имеет один характер: это процессы организации. Техническая деятельность организует элементы внешней приро­ды в обществе, познавательная и художественная — социальный опыт людей. Даже работа разрушительная представляет не что иное, как борьбу разных организационных форм и тенденций».

В своей тектологии Богданову удалось предвосхитить целый ряд принципов теории систем и кибернетики — научных дисцип­лин, получивших развитие 20-30 лет спустя. К сожалению, его работа опередила свое время, а потому осталась невостребованной. Возможно, если бы разработанная Богдановым методология была заблаговременно применена к исследованию экологической про­блемы, программа преодоления глобального кризиса была бы при­нята значительно раньше, а его последствия не были бы такими тяжелыми.

Но вернемся к проблеме пределов устойчивости биосферы. В настоящее время происходят глобальные изменения окружающей среды. Быстро увеличивается атмосферная концентрация угле­кислого газа. Вместе с поступающими в атмосферу промышленны­ми выбросами фтор- и хлор- углеродов, окислов азота и метана углекислый газ создает парниковый эффект, ведущий к потепле-

нию климата. Можно было бы ожидать, что биота прореагирует на этот процесс, начав поглощать избыточное количество углекисло­го газа.

Обобщая опубликованные результаты глобального анализа зем­лепользования, В.Г. Горшков пишет, что этого не происходит. Прин­цип Ле Шателье-Брауна для биоты оказался нарушенным [9].

До начала XIX столетия этот принцип выполнялся. Иными словами, человек не оказывал существенного влияния на процессы в биосфере. Однако начиная с первых десятилетий XIX в. ситуа­ция кардинально изменилась: биота начала выбрасывать в атмосферу углекислый газ, увеличивая, а не уменьшая техногенные выбросы. Отсюда можно выполнить первую грубую оценку пре­делов устойчивости биосферы. В начале XIX в. площадь освоен­ных земель не превышала 5% суши, причем доля продукции биоты, не пользуемой человеком на этих землях, была не более 20%. Следовательно, суммарное потребление чистой продукции биоты не превышало 1%. Очевидно, это и есть та пороговая величина антропогенной нагрузки на биоту, которую способна выдержать биосфера, продолжая подчиняться принципу Ле Ша­телье-Брауна.

К настоящему времени этот предел превзойден более чем на порядок. Более детальное обоснование этой оценки путем других методологических подходов, а также обобщения эмпирических данных выполнено в работах В.Г. Горшкова, Н.Ф. Реймерса, Н.М. Сватова и др. В табл. 2.1, составленной Реймерсом по итогам этих исследований, показаны последствия техногенных воздействий на биосферу.

 

Таблица 2.1