4.3. Теядешщн измевення окружающей среды (Лосев и др., 1993)

Показатель

Тенденция 1972—1992гг.

Сценарий 2030 г.

Потребление первичной био­логической продукции

Изменение концентрации пар­никовых газов в атмосфере

Истощение озонового слоя, рост озоновой дыры в Антарк­тиде

Сокращение площади лесов, особеннотропических

Опустынивание

Деградация земель

Повышение уровня океана

Исчезновение видов организ­мов

Качественное истощение вод суши

Накопление поллютантов в средах и организмах, миграция в трофических цепочках

Ухудшение условий прожива­ния людей, рост заболеваний

Рост потребления: 40 % на суше, 25 % в целом (оценка 1985 г.)

Прирост концентрации пар­никовых газов от десятых до­лей до 1 % ежегодно

Истощение озонового слоя на \...1% ежегодно, ежегодный рост площади озоновой дыры

Сокращение со скоростью от 117 тыс. км^! (1980г.) до 180 ±20 тыс. км¹ (1989г.) в год (восстанавливается 10 % све­денных лес о в)

Расширение площади пустынь (60тыс. км^! в год), рост техно-

ГеННоГО опустынивания

Рост эрозии (24 млрд т ежегод­но), снижение плодородия, накопление загрязняющих ве­ществ, закисление, засоление

Подъем уровня на 1..2 мм/год

Быстрое исчезновение видов

Рост объемов сточных вод, то­чечных и площадных источни­ков загрязнения, числа загряз­няющих веществ и их концен­трации

Рост накопления массы и чис­ла загрязняющих веществ в средах и организмах, рост ра­диоактивности среды

Рост бедности, нехватка про­довольствия, высокая детская смертность, высокий уровень заболеваемости, необеспечен­ность чистой питьевой водой в развивающихся странах, про­живание в зонах высокого заг­рязнения, рост генетических заболеваний, высокий уровень аварийности, рост аллергичес­ких заболеваний в развитых странах, пандемия СПИД в мире, понижение иммунного статуса

Рост потребления: 80—85% на суше, 50...60 % в целом

Рост концентрации, ускорение роста концентрации СО; и СН₄ за счет ускорения разрушения био-ты

Сохранение тенденции даже при условии прекращения выброса хлорфтор угле родов

Сохранение тенденции, сокра­щение площади лесов в тропиках с 18 млн км^г (1990 г.) до 9... 11 млн км' (2030г.), сокращение площади лесов умеренного пояса

Сохранение тенденции, возмо­жен рост темпов за счет умень­шения влагооборота на суше и накопление загрязняющих ве­ществ в почвах

Сохранение тенденции, рост эрозии и загрязнения сельскохо­зяйственных земель

Сохранение тенденции, возмож­но ускорение подъема уровня до 7 мм/год

Усиление тенденции по мере разрушения биосферы

Сохранение и нарастание тен­денций

Сохранение тенденций и воз­можное усиление

Сохранение тенденций, рост не­хватки продовольствия, рост ге­нетических заболеваний и забо­леваний, связанных с экологи­ческими нарушениями, расши­рение территории инфекцион­ных заболеваний, появление но­вых болезней

95

ния в абсолютных величинах, как и пре­дел хозяйственной емкости, заметно меняется по природным законам в зави­симости от продуктивности биоты (в пустынях эта способность наименьшая, а в лесах — наибольшая);

превышение хозяйственной емкости приводит к прекращению выполнения принципа Ле Шателье биотой, быстро­му и все большему размыканию круго­ворота биогенов, превращению самой биоты в источник загрязнения (выброс диоксида углерода, растворимых соеди­нений азота и фосфора) и деформации окружающей среды;

нарушения окружающей среды обус­ловливают изменения экологических ниш, как следствие, ведут к распаду ге-номов и в дальнейшем к исчезновению многих видов организмов; правомерно полагать, что подобный механизм дей­ствует в популяции человека, который разрушает и свою экологическую нишу; дополнительно на это накладывается груз загрязняющих веществ, образую­щихся в результате хозяйственной дея­тельности;

главной задачей человека является сохранение и восстановление есте­ственных сообществ организмов в таких масштабах, чтобы вернуться в пределы хозяйственной емкости биосферы в це­лом; только при этом условии прекра­тится трансформация окружающей сре­ды, будет обеспечена ее стабильность;

многолетний опыт сохранения и вос­становления окружающей среды на ос­нове технологического подхода не при­нес желаемых результатов и снижения антропогенного давления;

пределы роста человечества опреде­ляются не возможным недостатком продовольствия, не предполагаемой не­хваткой сырьевых ресурсов, не измене­нием климата, а хозяйственной емкос­тью экосистем и биосферы в целом, верхним порогом которой является пе­ревод в антропогенный канал более 1 % чистой первичной продукции биоты (фотосинтеза); превышение этой поро­говой величины ведет к дестабилизации окружающей среды и распаду генома человека, а следовательно, к исчезнове­нию его как вида; процесс этот инерци­онный; на суше еще сохраняются доста­точно обширные территории с ненару-

шенными естественными сообщества­ми, которые могут стать центрами вос­становления стабильности окружающей среды, а человеческая популяция, как и популяции других видов, обладает мощ­ным механизмом восстановления нор­мального генома;

для решения проблем окружающей среды и выбора соответствующей стра­тегии важно осознать, что опасный по­рог уже перейден, что возникшие про­блемы не могут быть решены одними хозяйственными и технологическими методами (при всей их значимости), что люди должны стремиться обеспечить стабильность биосферы для сохранения цивилизации.

4.6. БИОСФЕРА — ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА

Замкнутые системы. Взаимоотноше­ния живого организма с внешней сре­дой основываются на состоянии гомео-стаза. По определению К. Бернара, го-меостаз заключается в том, что постоян­ство внутренней среды есть условие свободного поведения. На всех уровнях развития биологических организмов, как отмечает О. Г. Чораян, гомеостатич-ность в их деятельности обеспечивается прежде всего восприятием и переработ­кой информации в системе организм-внешняя среда. Тесная связь между раз­личными формами жизнедеятельности организма и изменением энергетичес­кого баланса в данной системе дает воз­можность использовать в биологии тер­модинамические методы, в частности второй закон термодинамики с вытека­ющими из него следствиями, в соответ­ствии с которыми замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного со­стояния, заключающегося в ее макси­мальной дезорганизации. Биосфера об­разует закрытую, но не изолированную микросистему, которая постоянно об­менивается энергией с внешней средой (макросистемой).

Известно, что согласно второму за­кону термодинамики энтропия в замк­нутой системе либо остается неизмен­ной (случай обратимой реакции), либо возрастает (случай необратимой реак-

96

ции) и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Оче­видно, что изменение энтропии в таких системах можно рассматривать как меру необратимости процесса. По степени же возрастания энтропии можно сулить об эволюции замкнутой системы. В со­ответствии со вторым законом термоди­намики характеризующую состояние системы энтропию определяют по фор­муле

5 = *1п IV,

5 = *1п И/

где 4 — постоянная Больцмана; И⁷—термодина­мическая вероятность системы.

Из приведенного уравнения следует, что изолированная система (т. е. не об­менивающаяся со средой ни веществом, ни энергией — идеальная, практически не существующая) в результате возрас­тания ее энтропии самопроизвольно пе­реходит из менее вероятного в более ве­роятное состояние. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть ис­пользована для производства работы. В отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозна­чить свободную энергию через /"и энт­ропию через 5, то полная энергия сис­темы будет равна:

Е = Р+5Т,

где Т— абсолютная температура по Кельвину.

Характеризуя термодинамические аспекты деятельности биосферы и чело­века, не следует упускать из виду, что второй закон термодинамики справед­лив только для биосферы. По мнению некоторых исследователей, в частности И. Р. Пригожина, его можно применить не только к изолированным, но и к от­крытым системам, далеким от состоя­ния термодинамического равновесия, если учесть поток энтропии извне, от­казавшись от таких далеко идущих абст­ракций, как изолированная система и равновесное состояние. Анализ поведе­ния открытых систем позволяет лучше понять структурообразование и сохра­нение высокой степени организованно­сти в биологических системах.

В соответствии с законами физики

и химии в неживой природе происхо­дит непрерывное нивелирование энергетических градиентов: механи­ческие перемещения от высокого дав­ления к более низкому, диффузное уравнивание концентраций, нейтра­лизация свободных химических связей и т. д. В превращениях неживой мате­рии преобладают процессы снижения уровня организации: разрушение гор­ных пород выветриванием и вымыва­нием, химический распад и т. д. Изме­нения эти обусловлены действием ме­теорологических, геологических и кос­мических факторов и направлены на достижение равновесия между компо­нентами каждой неживой системы и самой системой в отношении других. При этом мера неорганизованности как энергетических потенциалов, так и материальных структур, выраженная энтропией, имеет тенденцию к непре­рывному увеличению. А. Б. Коган от­мечает, что в отличие от неживой при­роды, где направление превращений вещества и энергии характеризуется общим снижением уровня организации и качества энергии, приближением к устойчивому равновесию, возрастани­ем термодинамической и структурной энтропии, в живой природе направле­ние этих превращений оказывается прямо противоположным, что и опре­деляет ведущую роль биосферы на Зем­ле. Именно живой обмен веществ обес­печивает воспроизводство иерархии сложных структур организма посред­ством последовательного синтеза его компонентов, перекрывающего в про­цессе роста и развития их непрерывное разрушение. Жизненный процесс, та­ким образом, непрерывно восстанав­ливает существовавшие и создает но­вые градиенты энергии, накапливая свободную энергию устойчивого рав­новесия. В термодинамическом отно­шении эти процессы выражаются воз­растанием отрицательной энтропии (негэнтропии), которое достигается за счет углубления энтропии окружаю­щей среды.

В соответствии с изложенным А. Б. Ко­ган сформулировал обобщающие выво­ды, позволяющие лучше понять функ­ции важнейших подсистем в общей сис­теме биосферных процессов:

97

«...общее направление превращений биосферы в целом или ее функцию можно определить как повышение уровня структурной организации, на­копление свободной энергии устойчи­вого неравновесия, появление и возрас­тание устойчивого неравновесия, появ­ление и возрастание негэнтропии, кото­рые достигаются за счет энергетических и материальных ресурсов неживой при­роды и реализуются в синтезе первич­ной биомассы и эволюции ее форм;

...общее направление превращений в растительной подсистеме биосферы или ее функцию можно определить как пер­вичный синтез биомассы из неоргани­ческих источников, создание исходного негзнтропийного материала;

...общее направление превращений в животной подсистеме биосферы или ее функцию можно определить как про­грессивные преобразования биомассы, повышающие ее структурную организа­цию и уровень негэнтропии;

...функцию человеческой подсисте­мы биосферы можно определить как производство все новых орудий труда, позволяющих создавать небиологичес­ким техническим путем свободную энергию негэнтропии в искусственных высокоорганизованных системах, вос­производящих прямо или косвенно не­которые процессы, осуществлявшиеся до того только живой материей»*.

Теория открытых систем. Принципи­альное значение для понимания дина­мики биосферных процессов и конст­руктивного решения конкретных эко­логических проблем имеют теория и ме­тоды открытых систем, оформившиеся несколько десятилетий назад, являю­щиеся, безусловно, одним из важнейших научных достижений XX столетия и по­зволяющие с единых методологических позиций подходить к устойчивости био­логических систем, процессам самоорга­низации, диссипативным структурам и многим другим вопросам.

В книгах И. Р. Пригожина «Введение в термодинамику необратимых процес­сов» (1960), «Неравновесная статисти­ческая механика» (1964), Г. Хакена «Синергетика» (1980), И. Пригожина,

•Человек и биосфера. — Ростов; Изп-во Рос­товского университета, 1977. С. 113—115.

98

И. Стенгерса «Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой» (1986), Ю. М. Свирежева «Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастро­фы в экологии» (1986), С. П. Капицы и др. «Синергетика и прогнозы будуще­го» (1997), В. А. Лисичкина и др. «Закат цивилизации или движение к ноосфе­ре» (1997), Г. И. Рузавина «Концепции современного естествознания» (1997); научных статьях К. М. Петрова «Устой­чивое развитие: миф или реальность?» (1995), В. И. Короткова «Развитие кон­цепции ноосферы на основе парадигмы синергетики» (1996) и других публика­циях рассмотрены ключевые положе­ния теории открытых систем, а также показаны ее роль и возможности в по­знании законов развития окружающего мира.

Как известно, анализ систем в клас­сической термодинамике в значитель­ной мере связан с абстрагированием от их реальной сложности, в частности не учитывается их взаимодействие с внеш­ней средой. Согласно классической тер­модинамике, физические и другие сис­темы неживой природы эволюциониру­ют в направлении усиления их беспо­рядка, разрушения и дезорганизации. Возникает вопрос: каким же образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться живая природа, систе­мы которой в соответствии с эволюци­онной теорией Дарвина стремятся к со­вершенствованию и усложнению своей организации? В обществе в целом на­блюдается прогресс. Очевидно, что ис­ходное понятие классической физи­ки — понятие закрытой, или изолиро­ванной, системы — не отражает реаль­ности и находится в явном противо­речии с результатами исследований в биологии и общественных науках. Нельзя не вспомнить, что вскоре после того, как было сформулировано второе начало термодинамики, появились мрачные прогнозы о «тепловой смерти» Вселенной и т. д.

В весьма своеобразной форме термо­динамика впервые ввела в физику поня­тие времени как необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Со­гласно этому понятию, чем выше энтро­пия системы, тем более длительный

временной промежуток прошла она в своей эволюции. Такое понятие об эво­люции системы принципиально отли­чается от понятия эволюции, лежащего в основе теории происхождения видов путем естественного отбора. В соответ­ствии с ней эволюция направлена на выживание более совершенных орга­низмов и усложнение их организации. В термодинамике же эволюция соотно­сится с дезорганизацией систем.

Исторический опыт показал, что, бу­дучи довольно абстрактным, понятие закрытой системы существенным обра­зом искажает действительность, ибо фактически в реальной природе нет си­стем, которые не взаимодействовали бы с окружающей средой, также состо­ящей из систем. И вполне закономер­но, что в 60-х гг. XX в. появляется но­вая — неравновесная (нелинейная) тер­модинамика, основывающаяся на кон­цепции необратимых процессов. Место закрытой, изолированной, системы в ней занимает принципиально иное ос­новополагающее понятие открытой си­стемы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энер­гией и информацией.

Одним из первых определение этому понятию дал известный австрийский физик Э. Шредингер в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1947). Подчеркивая, что отличительная осо­бенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окру­жающей средой, он писал, что средство, при помощи которого организм поддер­живает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (рав­но на достаточно низком уровне энтро­пии), в действительности состоит в не­прерывном извлечении упорядоченнос­ти из окружающей его среды.

Открытая система, таким образом, заимствует извне либо новое вещество, либо свежую энергию и одновременно выводит во внешнюю среду использо­ванное вещество и отработанную энер­гию, т. е. она не может оставаться замк­нутой. В процессе эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой и производит энт­ропию. При этом характеризующая степень беспорядка в системе энтро­пия, в отличие от закрытых систем, не

аккумулируется, а транспортируется в окружающую среду. Логичен вывод, что открытая система не может быть равновесной, поскольку требует непре­рывного поступления из внешней сре­ды энергии или богатого ею вещества. По Э. Шредингеру, вследствие такого взаимодействия система черпает из ок­ружающей среды порядок и тем самым привносит в нее беспорядок.

Выдающаяся роль в развитии и ста­новлении неравновесной термодинами­ки принадлежит И. Р. Пригожину, рус­скому по происхождению, бельгийско­му физику и физико-химику, лауреату Нобелевской премии 1977 г.

Термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтро­пии системы, обусловленное происхо­дящими в ней внутренними процесса­ми. Рост энтропии в единицу времени в единице объема называется функцией диссипации*. Системы же, функция диссипации в которых отлична от нуля, носят название диссипативных. Для них характерен переход энергии упорядо­ченного процесса в энергию неупоря­доченного процесса, а в конечном сче­те—в тепло. Если между двумя систе­мами существует связь, возможен пере-ток энтропии из одной системы в другую, вектор которого определяется значениями термодинамических по­тенциалов. Здесь-то и появляется каче­ственное различие между изолирован­ными и открытыми системами. В изо­лированных системах ситуация остается неравновесной. Процессы идут, пока энтропия не достигнет максимума. В открытых системах отток энтропии на­ружу может уравновесить ее рост в са­мой системе. Такого рода условия спо­собствуют возникновению и поддержа­нию стационарного состояния (типа динамического равновесия), названно­го Л. Берталанфи текущим равновеси­ем. В стационарном состоянии энтро­пия открытой системы остается посто­янной, хотя и не является максималь­ной. Постоянство поддерживается за счет того, что система непрерывно из-

'Диссипаиия (от лат. сН5Ё1ра1ю) — рассеяние; диссипативный — связанный с потерей энергии.

99

иых процессом внуфи самой системы:

влекает из окружающей среды свобод­ную энергию. Динамика энтропии в от­крытой системе описывается уравнени­ем И. Р. Пригожипа:

где

— характеристику энтропии неоорати-

— ха-

рактеристика обмена энтропией между биологи­ческой системой и окружающей средой.

Если в открытой системе необрати­мые процессы приближаются к стацио­нарному состоянию, величина стре­мится к минимально возможному при данных условиях положительному зна­чению. Состояния текущего равновесия весьма разнообразны. По своим характе­ристикам они могут быть близкими к равновесным, неустойчивыми или ус­ловно устойчивыми. Суммарное умень­шение энтропии в результате обмена с внешней средой при определенных ус­ловиях может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчи­вость предшествующего неупорядочен­ного состояния. Возникают и возрастают до макроскопического уровня крупно­масштабные флуктуации. При этом воз­можна саморегуляция, т.е. возникнове­ние определенных структур из хаотичес­ких образований. Такие структуры пос­ледовательно могут переходить во все более упорядоченное состояние. Энтро­пия в них убывает. Упорядоченные обра­зования, возникающие в диссипативных системах при неравновесных необрати­мых процессах, И. Р. Пригожий назвал диссипативными структурами. Диссипа-тивные структуры образуются вслед­ствие развития собственных внутренних неустойчивостей в системе (в результате самоорганизации), что отличает их от организации упорядоченных структур, формирующихся под воздействием вне­шних причин. Для функционирования диссипативным системам требуется боль­ше энергии, чем более простым структу­рам, которые они сменяют. И- Р. Приго­жий обращает особое внимание на воз­можность спонтанного возникновения порядка и организованности из беспо­рядка и хаоса в результате процесса са­моорганизации.

Различные диссипативные структу­ры реализуются и в экологических сис­темах. Примером тому, в частности, мо­жет служить пространственно упорядо­ченное расположение бактерий в пита­тельных средах, наблюдающееся при определенных условиях, или характер­ные для высших организмов временные структуры. Например, система хищ­ник—жертва, отличающаяся устойчи­вым режимом колебаний с определен­ной периодичностью численности по­пуляций животных. Можно вспомнить также процессы гликолиза, синтеза бел­ков в клетке и др.

Процессы самоорганизации основы­ваются на обмене энергией и массой с окружающей средой, и это позволяет поддерживать искусственно создаваемое состояние текущего равновесия, когда потери на диссипацию компенсируются извне. С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном итоге прежние взаимосвязи между элементами систе­мы, определяющие ее структуру, разру­шаются. Между элементами системы ус­танавливаются новые связи, приводя­щие к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Такова общая схема процессов самоорга­низации в открытых системах. Немец­кий физик Г. Хакен новое направление исследований, связанное с изучением процессов самоорганизации, назвал си­нергетикой (от гр. кшещоз — совместно действующий). При этом уместно отме­тить, что автор термина «синергетика» пришел к своим выводам на основе изу­чения механизмов кооперативных про­цессов, происходящих в твердотелом ла­зере. Видный теоретик самоорганизации И. Р. Пригожим сформировал свои идеи в результате изучения специфических химических реакций (химические реак­ции, впервые экспериментально изучен­ные отечественными учеными Б. П. Бе-лоусовым и А. М. Жаботинским).

Концепция самоорганизации, по-новому освещая взаимосвязь неживой и живой природы, позволяет лучше по­нять, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой сово­купность разнообразных самоорганизу­ющихся процессов, которые лежат в ос­нове любого эволюционного развития.

100

Существует несколько необходимых (но далеко не достаточных) условий для возникновения самоорганизации в раз­личных системах природы (Рузавин, 1997):

1. Система должна быть открытой.

2. Такая открытая система должна быгь достаточно далеко отточки термо­динамического равновесия. В против­ном случае (достигнута точка равнове­сия) система, как уже отмечалось ранее, обладает наибольшей энтропией и по этой причине не способна к какой-либо организации (данное положение соот­ветствует максимуму ее самодезоргани­зации).

3. В отличие от изолированных сис­тем основополагающим принципом са­моорганизации является возникновение и усиление порядка через флук1уации. Эти случайные отклонения системы от некоторого среднего положения она первоначально подаштяст и ликвидиру­ет. И все же в открытых системах в ре­зультате усиления неравновесности от­клонения со временем возрастают, а в конечном счете расшатывают прежний порядок и приводят к возникновению нового. (Принцип образования порядка через флуктуации.) Исходя из случайно­го характера флуктуации, следует, что появление нового в мире всегда обуслов­лено действием случайных факторов.

4. Возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, в соответствии с кото­рым изменения, возникающие в систе­ме, не устраняются, а накапливаются и усиливаются. В итоге это-то и приводит к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации со­провождаются нарушением симметрии, т. е., будучи связанными с необратимы­ми изменениями, они приводят к разру­шению старых и возникновению новых структур. При этом разрушение являет­ся своеобразным переломным момен­том, достижением точки бифуркации.

6. Самоорганизация может пачачься только в системах, обладающих доста­точным количеством взаимодействую­щих между собой элементов, которые имеют некоторые кричическис разме­ры. Без этого условия эффекты синср-гического взаимодействия не обеспечи-

вают кооперативного поведения эле­ментов системы, а следовательно, и воз­никновения самоорганизации.

Перечисленные условия необходи­мы, но далеко не достаточны для воз­никновения самоорганизации в различ­ных системах природы. По резонному замечанию Г. И. Рузавипа, даже в хими­ческих самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботин-ский, в «игру» вступают такие новые факторы, как процессы катализа, кото­рые ускоряют химические реакции. От­сюда следует вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестни­це развития систем, тем более сложны­ми и многочисленными оказываются факторы, которые играют существен­ную роль в самооргапизации.

Согласно И. Р. Пригожину, замкну­тые системы составляют весьма незна­чительную часть физической Вселен­ной. Большинство систем открытые. Неустойчивость и нсравновесность, можно предположить, являются доми­нирующими в окружающем мире. В сущности говоря, все, что нас окружает, представляет собой далекий от равнове­сия мир. где все взаимосвязано, мир не-устойчивостей и необратимости, нели­нейности и обратных связей, эволюции И катастроф, хаоса и сложнейших структур, диссипации и самоорганиза­ции. Теория эволюции органического мира дает достаточно весомые основа­ния рассматривать биосферу как откры­тую систему, которая находится в не­равновесном состоянии и в которой развитие живой материи идет от низ­ших форм к высшим.

Уже отмечалось, что открьп ые систе­мы непрерывно флуктуируют и на ка­ком-то этапе достигают точки бифурка­ции. Суть бифуркации лучше всего ил­люстрирует витязь на распутье, сто­ящий перед камнем с надписью: «Направо пойти — женатому быть, на­лево пойти — коня потерять, прямо пойти —буйпу голову сложить». В ка­ком-то месте пути встречается разкилка, где необходимо принимать решение. Около развилки пути еще очень близки, подальше они ведут витязя к совершен­но разным приключениям. При дости­жении точки бифуркации принципи­ально нельзя предугадать, в каком на-

101

правлении будет дальше развиваться си­стема — перейдет ли она в хаотическое состояние или приобретет новый, более высокий уровень организации.

По своему строению живая и косная материи существенно различаются меж­ду собой. Это различие определяется исключительно сложной структурой живого вещества, а также способностью его изымать из окружающей среды по­лезную энергию в количестве, необхо­димом для самосохранения и самораз­вития. Достигается это в результате об­разования материальных элементов, ко­торые могут в процессе своего зарож­дения, развития и жизни заимствовать свободную энергию из окружающего пространства, формировать новые эле­менты живой материи, сохранять ин­формацию о структуре живых элемен­тов, их наследственности и т. д. за счет использования свободной энергии из окружающей среды.

К. М. Петров, оценивая основные положения теории открытых систем применительно к биосферным процес­сам, пришел к следующему заключе­нию: «Очевидно, что при существую­щих космических и земных предпо­сылках живое вещество способно про­должать свое «давление» на внешние оболочки Земли и потенциал этого дав­ления отнюдь не ослабевает. Антропо­генный фактор, вызывающий деструк­цию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популя-ционным взрывом, который по зако­нам регулирования неизбежно будет элиминирован. Система общество — природа, следуя теории Пригожина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет озна­чать ее хаотического состояния. Би­фуркация — это импульс к развитию биосферы по новому неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество — это предмет специальных исследований. О судьбе биосферы можно не беспокоиться, она продол­жит свое развитие»*.

В начале 80-х гг. концептуальные

*Петров К. М. Общая экология.—СПб.: Хи­мия, 1997.С. 128.

положения неравновесной термодина­мики использовал В. А. Черников в процессе разработки проблемы диагно­стики гумусового состояния почв по показателям структурного состава и физико-химическим свойствам. Рас­сматривал процессы превращения органического вещества почв с пози­ций термодинамики открытых систем, исследователь показал, что убыль сво­бодной энергии в почвенной системе покрывается за счет притока отрица­тельной энтропии (негэнтропии), воз­никающей при разложении раститель­ных остатков, поступающих в почву. При этом увеличение негэнтропии при возрастании количества поступающих растительных остатков в систему будет переводить ее в новое стационарное состояние с более высоким энергети­ческим уровнем.

Гумусовые соединения почв можно отнести к диссипативным структурам, для существования которых необходим постоянный обмен энергии и вещества; они стабильны до тех пор, пока связаны с окружающей средой. Следовательно, необходим постоянный приток свежего растительного материала доя поддержа­ния соответствующего уровня стабили­зации как гумусового состояния, так и самой структуры почвы. С другой сто­роны, диссипация энергии, возникаю­щая за счет разложения гумусовых со­единений, крайне необходима и микро­организмам, и растениям. Как известно, одна из ключевых задач сельского хо­зяйства состоит в том, чтобы непрерыв­но создавать органическое вещество, в котором воплощается скрытая энергия жизни человечества. По Л. Больцману, борьба за существование живых су­ществ — борьба не за вещество или энергию, а за энтропию, возможность использования которой полагается в результате перехода энергии от горячего солнца к холодной земле. Запасенная в гумусе энергия — источник дополни­тельной отрицательной энтропии. Уве­личение количества этого потока к мик­роорганизмам и корням имеет огромное значение с учетом того, что растения ус­ваивают лишь около 1 % солнечной энергии. С другой стороны, коэффици­ент использования микроорганизмами

102

энергии, освобождающейся при окис­лении органических веществ, не превы­шает 20%.

Благодаря постоянному потоку ве­щества и энергии, проходящих через систему, флуктуации могут стабилизи­роваться и, в свою очередь, обеспечить поддержание стабильной структуры гу­мусовых соединений. При этом исход­ные структуры несут на себе отпечаток исходных флуктуации, т. с. обладают в некотором роде простейшей памятью с функцией самодостройки. Все это при­водит к спонтанной самоорганизации системы. Принятый подход хорошо со­гласуется с рассмотрением почвенной системы как почва-память и почва-мо­мент. При этом квазиравновесное со­стояние, по-видимому, адекватно ста­ционарному, в то время как полный климакс (равновесие в закрытой систе­ме) почвы представляется маловероят­ным.

При истощении источников энергии стационарное состояние становится не­стабильным и система стремится к рав­новесию. Примером равновесного со­стояния может служить вариант «бес­сменный пар» длительного опыта в МСХА им. К. А. Тимирязева. В вариан­тах же с «бессменными культурами» на­блюдаются стационарные состояния определенного уровня.

Системный подход к изучению про­цессов почвообразования, когда каж­дый элементарный биогеоценоз рас­сматривается как система, состоящая из блоков, обменивающихся веществом и энергией с учетом интенсивных и эк­стенсивных параметров, в наибольшей степени соответствует рассмотрению этих процессов именно с позиций тер­модинамики открытых систем. В этом контексте состояние равновесия, или стационарное состояние гумуса в дан­ный момент времени, будет характери­зоваться современными биоклимати­ческими условиями, принятой систе­мой обработки почвы, количеством применяемых минеральных и органи­ческих удобрений в севообороте и т. п. Поэтому правомерно говорить о неко­тором предельном, возможном для дан­ных условий уровне накопления орга­нического вещества в почве.

Регулирование количества органи­ческого вещества можно обеспечить путем имитации степени открытости системы, «закрывая» ее, например, ми­нимизацией обработки после много­летних трав в севообороте. Это создает оптимальные условия для увеличения запасов гумуса и усиления процессов закрепления разлагающихся раститель­ных остатков. При необходимости уси­ления процессов минерализации целе­сообразно «открывать» систему, внося больше минеральных удобрений и уве­личивая долю пропашных культур в се­вообороте.

Стационарное состояние гумуса на­блюдается в целинных почвах. Имею­щиеся здесь запасы его, очевидно, ха­рактеризуют максимальную возмож­ность таких почв. При окультуривании система выходит из этого состояния и в зависимости от направленной деятель­ности человека может прийти в новое стационарное состояние, характеризу­ющееся либо меньшими (что чаше всего и бывает), либо более высокими запаса­ми гумуса, значительно превышающи­ми исходный уровень, что, естественно, требует и значительно больших усилий. При этом время, необходимое для дос­тижения того или иного уровня стацио­нарного состояния, зависит от интен­сивности воздействия изменяющихся факторов почвообразования. Можно считать несомненным, что процесс гу­мификации осуществляется на основе принципа отбора термодинамически устойчивых структур.

Приведенный пример наглядно под­тверждает, насколько плодотворным может быть и в теоретическом, и в мето­дологическом отношении изучение биосферных процессов на разных иерархических уровнях организации на основе идей перавновесной термодина­мики. Накоплен большой фактический материал по проблемам взаимодействия общества и природы. Всестороннее ос­мысление его и выработка предельно достоверного ответа на извечный воп­рос «что делать?», несомненно, лежат в плоскости концептуальных положений неравновесной термодинамики и си­нергетики.

103