смирнов геоэкология

ческого вещества совпадают с максимальной точностью в нормаль­ ных условиях при нормальном функционировании сообщества. Повидимому, сообщество представляет собой биоценоз, который со­ вместно с конкретным участком земной поверхности образует эле­ ментарную экосистему, или биогеоценоз. По определению, биогео­ ценоз - это такая экосистема, внутри которой не проходит биоценотических, микроклиматических, почвенных и гидрологических гра­ ниц. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпа­ дают с границами растительных сообществ. Чем меньше размер сообщества, тем жестче могут быть связаны входящие в него орга­ низмы различных видов. Большинство сообществ имеют простран­ ственные размеры в десятки метров.

Быстрое вытеснение распавшихся сообществ приводит к ка­ жущейся однородности всей ассоциации сообществ, занимающей большую площадь земной поверхности и обеспечивающей на ней точное совпадение продукции и деструкции и максимум биотиче­ ской регуляции отклонений от этого равенства при возмущениях окружающей среды. Ассоциации сообществ соответствуют регио­ нальному климату и образуют экосистемные единицы более высо­ кого уровня, называемые биомами. Для каждого биома характерна определенная форма климатической растительности в его стацио­ нарном состоянии, а следовательно, и вся система животного мира (биомы: континентальные - тундра, северные хвойные леса, влаж­ ные хвойные леса умеренной зоны, листопадные леса умеренной зоны, тропическая саванна, пустыня, горный, высокогорный; мор­ ские - арктические (латераль, сублатераль, абиссаль), бореальный, субтропический, тропический и то же на внутренних водоемах: стоячие в различных зонах, проточные в различных зонах и для глубоких - с разделением по глубине).

Количественно степень разомкнутости круговорота веществ можно характеризовать величиной разомкнутости, равной разности потоков синтеза и разложения, деленной на поток синтеза. В есте­ ственных условиях после усреднения по сезонам и за период, ис­ ключающим межгодовые флуктуации, эта величина в биосфере поддерживается на уровне КГ4, т.е. сотой доли процента.

В отсутствие внешних возмущений разомкнутость должна дос­ тигать минимальных значений уже на уровне отдельного сообщест­

151

ва при условии его стационарного состояния и всегда обеспечи­ ваться на уровне ассоциации сообществ.

Для того чтобы потоки синтеза и разложений совпадали с та­ кой высокой точностью, необходимо, чтобы случайные относи­ тельные флуктуации этих потоков не превосходили величину разомкнутости. Малость случайных флуктуаций в сообществах, со­ стоящих из конкурентно взаимодействующих особей, может обес­ печиваться только статистическим законом больших чисел, соглас­

но которому относительная флуктуация пропорциональна l/л/л^,

где N - число некоррелированных между собой частей системы.

Следовательно, отдельно и синтез, и разложение в сообществе долж­ ны производиться большим числом независимых частей (рис. 4.3). В случае крупных растений снижение внутренней скоррелированности достигается хаотическим распределением листвы, ветвей, корней. В случае крупных животных, входящих практически в состав всех есте­ ственных природных сообществ, уменьшение доли потребляемой ими продукции растений сообщества происходит за счет увеличения площади их обитания и включения их во множество отдельных со­ обществ. Нет крупных животных обитающих в одном сообществе. Человек вносит заметное возмущение в распределение скорости раз­ ложения органических веществ по размерам тел организмов, разла­ гающих органические вещества (пунктирная линия на рис. 4.3).

В подвергающихся непрерывному возмущению культурных агроценозах разомкнутость всегда выше десятков процентов. В то же время после прекращения возмущения разомкнутость быстро опускается до нескольких процентов (например, после сплошной рубки лесов - за десятки лет на сельскохозяйственных угодьях (на бывших луговых участках) - за годы). При этом происходит обра­ зование конкурентно взаимодействующих сообществ и непрерыв­ ное сокращение их размеров, уменьшается видовое разнообразие и межвидовая конкуренция. Однако выход на фоновый уровень разомкнутости порядка сотых долей процента и образование естест­ венных сообществ с минимальными размерами происходит за более длительные сроки (после сплошной вырубки лесов - за сотни лет, после многократных смен растительного покрова и появления есте­ ственного возрастного распределения растительности).

152

4 »<«М

Рис. 4.3. Распределение скорости разложения (деструкции) органических веществ по размерам тел организмов, разлагающие органические вещества

на суше, р = P l ( ! ) /P + , Р 1 ( 1 ) - спектральная плотность относительной деструкции, производимой организмами с размером тела /, Р + - продукция растений

суши (чистая первичная продукция).

4.5 Стабильность биоты и эволюция

Описанные способы устойчивости биоты и стабилизации ок­ ружающей среды обеспечивают также и эволюцию биологических видов и их сообществ. Закрепится в биосфере могут лишь те виды, которые не приводят к уменьшению конкурентоспособности сооб­ щества, т. е. к уменьшению способности к биотической регуляции окружающей среды и степени замкнутости круговоротов веществ. Естественный отбор в этом случае работает на сохранение стацио­ нарных условий и стационарного развития биосферы. Заметные из­ менения видового состава биосферы и переход биосферы из одного устойчивого состояния в другое, связанные с изменениями окру­ жающей среды под влиянием внешних факторов, происходили в ходе эволюции биосферы медленно, в течение миллионов лет. В течение сотен и тысяч лет биота не может перейти в новое устойчи­

153

вое состояние. Могут лишь наблюдаться процессы возврата (релак­ сации) к существующему в данный геологический период устойчи­ вому состоянию. Релаксация происходит после естественных внеш­ них возмущений, не нарушающих устойчивость биосферы. При возмущениях, превосходящих пределы устойчивости биосферы на данном уровне, происходит кризис в ее развитии, приводящий к заметному разрушению (вымиранию многих видов), после чего сле­ дует вспышка видообразования и переход биосферы на новый уровень устойчивости в соответствии с изменившимися условиями внешней среды (это прежде всего - изменение климата). Полного распада био­ сферы и жизни никогда не происходило за всю ее историю и, повидимому, уже не может произойти в силу того, что эволюция Земли как планеты после бурного начального периода своего развития давно уже идет по пути стабилизации и до начала процессов распада магне­ тита в мантии Земли (приблизительно через 600 млн. лет) биосфера Земли будет существовать.

Направление эволюции всегда определяется ростом конкурен­ тоспособности и вытеснением предшествующих менее конкуренто­ способных форм жизни. Рост конкурентоспособности не всегда свя­ зан с увеличением организации биосферы. Эволюция может идти и в направлении разрушения достигнутой организации, роста агрес­ сивной конкурентоспособности при утрате жизнеспособности, т.е. вытеснения более агрессивными и менее организованными особями более организованных, но менее агрессивных.

В частности, это может происходить в результате увеличения размеров как живых организмов, так и их социальных структур и сообществ. Это увеличение, как правило, сопровождается ростом конкурентоспособности. Рост размера приводит к уменьшению числа особей в популяции и, в конечном счете, к полной скоррелированности всех частей популяции и прекращению конкурентного взаимодействия и отбора. Сокращение числа независимо дейст­ вующих живых особей в сообществе нарушает действие закона больших чисел, что приводит к неограниченному росту флуктуации синтеза и разложения органических веществ в сообществе и невоз­ можности их поддержания в скоррелированном состоянии. С одной стороны, распространение крупных особей по всем сообществам биосферы означает, что сообщества, содержащие крупных особей,

154

более устойчивы и, следовательно, конкурентоспособны, чем со­ общество их не содержащие. С другой стороны, сведение роли мел­ ких животных к минимуму во всех сообществах биосферы означа­ ет, что сообщества, в которых роль крупных особей становится оп­ ределяющей в доле потребления потоков питательных веществ, те­ ряют устойчивость и конкурентоспособность. Это же происходит и при росте числа особей в популяции - экспансии вида.

Экспансия возникает при наличии неиспользованных жизнью, пригодных для питания потоков энергии и химических веществ, поскольку в этом случае эту энергию могут использовать неконку­ рентоспособные распадные особи, изгнанные из популяции. Для предотвращения этого необходимо, чтобы конкурентоспособные нормальные особи осуществили экспансию, т. е. захватили все при­ годные для жизни потоки внешней энергии и веществ путем гене­ рации своих копий. Следовательно, экспансия в этом случае необ­ ходима. При этом происходит вытеснение неконкурентоспособных особей как своего, так и других видов, использующих те же потоки веществ и энергии (занимающих те же экологические ниши).

Экспансия происходит как на заданной территории путем уве­ личения плотности конкурентоспособных особей до максимально возможного предела, так и путем расширения пространства, ис­ пользуемого популяцией. Эволюционные изменения, связанные с увеличением конкурентоспособности, также закрепляются путем экспансии. В период экспансии конкурентное взаимодействие ока­ зывается ослабленным или полностью выключенным. Поэтому для сохранения достигнутого уровня конкурентоспособности время протекания экспансии должно быть много меньше времени утраты приобретенного преимущества.

Если бы пригодные для использования жизни потоки энергии были бы неограниченны (условия энергетического изобилия), то экспансия длилась бы бесконечно долго, конкурентное взаимодей­ ствие было бы выключено и стабилизация, и следовательно, суще­ ствование жизни, были бы невозможны. Таким образом, жизнь мо­ жет существовать только при ограниченности используемых ею потоков внешней энергии, т.е. в условиях отсутствия энергетиче­ ского изобилия.

155

Длительность существования жизни и имеющиеся палеодан­ ные указывают на то, что в биосфере всегда существовал барьер, останавливающий эволюцию в направлении разрушения организа­ ции жизни. Этот барьер - отсутствие биогенов в биосфере. Время эволюции биосферы определяется временем смены видового соста­ ва биоты или, в предположении постоянства числа видов в биосфе­ ре, средней продолжительностью существования вида. Это время имеет порядок млн. лет. Время биотического оборота биогенов рав­ но отношению биогенов в биосфере к продукции биоты и имеет порядок 10 лет, что в сто тысяч раз меньше времени эволюции. В результате эволюция биосферы происходит в условиях резкой ог­ раниченности ресурсов биосферы. Любое эволюционное измене­ ние, связанное с нарушением скоррелированности синтеза и разло­ жения органических веществ в сообществе, оказывается невозмож­ ным. Значительно быстрее этого изменения происходит полное ло­ кальное искажение окружающей среды в силу чрезвычайно высо­ кой мощности синтеза и разложения органических веществ биотой. Это приводит к немедленной потере конкурентоспособности и вы­ теснению подобного сообщества.

4.6. Прогресс человеческого общества и проблема сохране­ ния биосферы

Научно-технический прогресс в настоящее время стал актив­ ным фактором влияния на развитие биосферы Земли и процесс эво­ люции биоты.

В условиях свободного рынка смена технологий в настоящий период сократилась до десятков лет и стала намного меньше време­ ни истощения ресурсов биосферы. В этой ситуации человечество попадает в состояние кажущегося изобилия природных ресурсов. И это, как мы увидим далее, на самом деле так. Истощение ресурсов происходит медленно и не успевает сказываться на технологии. Ре­ сурсоистощающие технологии оказываются наиболее конкуренто­ способными и быстро вытесняют все ресурсосберегающие техноло­ гии, включая естественные сообщества биосферы. Вплоть до на­ стоящего времени практически все научные открытия и технологи­ ческие усовершенствования оценивались с позиций того, насколько эффективными они являются в дальнейшем преобразовании приро­

156

ды, т. е. усиления возмущения естественной биоты и окружающей среды. (Это очень ярко проявляется сейчас в России, где приклад­ ная направленность науки на более эффективное использование ре­ сурсов биосферы становится основой ее развития.)

Отказ от конкурентного взаимодействия и рыночной экономи­ ки путем перехода к централизованному управлению в глобальных масштабах может привести к регулированию прогресса и сокраще­ нию скорости истощения природной среды, но только на опреде­ ленное время. Однако при наличии связи с внешним окружением, развивающимся на базе свободной конкуренции, централизованно управляемая система теряет конкурентоспособность и вытесняется. В стремлении противостоять вытеснению и повысить свою конку­ рентоспособность централизованно управляемая система в силу малой эффективности использования природных ресурсов может в локальных условиях превзойти максимальную скорость истощения природной среды, развиваемую рыночной экономикой. Длительное существование централизованно управляемой системы возможно только при полной изоляции и при прекращении конкурентного взаимодействия с внешним миром, что эквивалентно отсутствию (или ликвидации) последнего.

Глобальное истощение окружающей среды прогрессирующей рыночной экономикой может сопровождаться поддержанием ста­ ционарного состояния и даже видимого улучшения определенных локальных участков на основе разомкнутого круговорота веществ путем непрерывного внесения необходимого количества потреб­ ляемых веществ и непрерывного удаления отходов. Этот принцип используется природой для поддержания жизни отдельного орга­ низма. Тот же принцип используется человеком для поддержания стационарного состояния своих жилищ, приусадебных участков, парков и любых культурных комплексов. Однако разомкнутость локального круговорота означает, что существование искусственно поддерживаемого в стационарном состоянии участка сопровожда­ ется ухудшением состояния окружающей среды в остальной части биосферы. Цветущий сад, озеро или река, поддерживаемые в ста­ ционарном состоянии на базе разомкнутого круговорота веществ с доведенной до максимума продуктивностью, гораздо опаснее для биосферы в целом, чем заброшенная земля, превращенная в пусты­

157

ню. В естественных пустынях продолжает действовать принцип Ле Шателье. Лишь величина компенсаций возмущений оказывается ослабленной по сравнению с более продуктивными экосистемами.

Для того чтобы ресурсоистощающие технологии в условиях свободного рынка потеряли конкурентоспособность по сравнению с ресурсосберегающими, необходимо, чтобы время оборота исполь­ зуемых ресурсов окружающей среды было бы намного меньше вре­ мени смены технологий, т. е. около одного года. Между тем, как мы увидим далее, время истощения большинства невозобновимых ре­ сурсов имеет порядок сотен и тысяч лет.

Выходов из этой ситуации два либо увеличить в сотни раз по­ требление ресурсов, либо найти какой-то способ сократить их ис­ пользование хотя бы в десятки раз. Только тогда экономика автома­ тически станет "экологичной". В противном случае экономический прогресс должен привести к разрушению приемлемого для жизни состояния окружающей среды.

Естественная биота не потребляет невозобновляемых ресурсов. В естественной биосфере наблюдается постоянство органического и неорганического углерода. Лишь изменения условий окружаю­ щей среды за счет внешних факторов вынуждают биоту нарушать это постоянство, которое тут же восстанавливается после восста­ новления условий среды. В стационарном состоянии развития био­ сферы биотическая регуляция окружающей среды и замкнутость круговоротов в ней не может быть нарушена.

Переход к ресурсосберегающим технологиям после ликвида­ ции невозобновимых ресурсов за счет увеличения скорости их по­ требления (на что фактически настроена современная цивилизация) нереален. Это могло бы привести к положительному результату только в том случае, если бы увеличение скорости потребления произошло за достаточно малое время, в течение которого прогресс не успел бы заметно исказить биосферу. В действительности ука­ занный рост потребления неизбежно будет растянут во времени. За это время истощающий ресурсы прогресс неизбежно столь исказит биосферу, что кризис ее станет неизбежен.

Возникает вопрос: как же все-таки сохранить биосферу и не допустить ее кризиса, при котором выжить нашему виду возможно (и даже очень вероятно) не удастся?

158

Выход из ситуации, разные ученые видят по-разному.

В.Г. Горшков и многие другие считают, что необходимо отка­ заться от использования невозобновляемых ресурсов. Современное энергопотребление на 90 % основано на невозобновляемых ресур­ сах. Отказ от последних приведет к сокращению энергопотребления примерно в 10 раз. Во столько же должно произойти и сокращение численности населения. Это, в свою очередь, в 10 раз сократит ан­ тропогенное возмущение континентальной биоты, что позволит по­ следней полностью восстановить действие принципа Ле Шателье. Он считает, что поддержание энергопотребления на современном уровне даже при переходе к так называемым экологически чистым источникам энергии означает продолжение разрушения естествен­ ной биоты.

Весь процесс сокращения должен быть растянут во времени настолько, чтобы технологический процесс при сохранении сво­ бодной конкуренции успел перестроиться на ресурсосберегающие технологии. Горшков считает, что это вполне реально может про­ изойти за время от нескольких десятков до сотен лет, в течение ко­ торых в силу постепенного сокращения антропогенного возмуще­ ния биосфера не успеет необратимо разрушиться. За это время можно было бы осуществить переход к однодетному рождению (которое соответствует 2 %-ному сокращению населения в год), что привело бы к уменьшению численности населения как раз пример­ но в 10 раз. При этом переход от растущей сейчас с двухпроцент­ ной скоростью численности населения к сокращению с той же ско­ ростью не приведет ни к каким экономическим проблемам. Величи­ ны демографической нагрузки на общество детьми в первом случае переходят в нагрузку той же величины стариками. Величина демо­ графической нагрузки определяется количеством детей до 15 лет и людей пожилого возраста после 60-65 лет. Наименьшую демогра­ фическую нагрузку имеет стационарное общество. Однако в совре­ менном технологическом обществе все дети должны проходить че­ рез дорогостоящий период обучения. Между тем современные ста­ рики длительно сохраняют здоровье и работоспособность и боль­ шинство из них может, обеспечить свое существование. В результа­ те экономическая нагрузка ребенком заметно превышает нагрузку стариком. В результате переход от роста численности населения к

159

сокращению с той же скоростью в развитом экономически общест­ ве приводит к сокращению экономической нагрузки на общество и может оказаться меньше, чем в стационарном случае.

Традиционная боязнь депопуляции и политическое стимулиро­ вание высокого престижа многодетных семей связаны с неизбежной в прошлом потерей конкурентоспособности нации, сокращающей численность населения, в сравнении с нацией, увеличивающей ее. Эта опасность исчезает при переходе ко всеобщему пропорциональ­ ному сокращению численности всех наций (при сохранении популя­ ций малых народов). Кроме того, при современных средствах оборо­ ны, основанных на ядерном оружии, возможно сдерживание практи­ чески любой агрессии небольшим числом людских ресурсов.

Сокращение рождаемости является нормальной естественной реакцией любых видов биосферы на случайные популяционные взрывы. В последнее время престиж многодетных семей быстро снижается во всем мире, и человечество морально подготовлено к переходу на однодетное рождение. Таким образом, по мнению В.Г. Горшкова, рассматриваемая возможность является реальной с экологической, демографической, экономической и морально-эти­ ческой точек зрения и представляет лишь политическую (и, по-види­ мому, отчасти религиозную) проблему, которая вполне может быть решена с помощью современных средств массовой информации при поддержке церкви, сохраняющей до сих пор, к сожалению, консерва­ тивность в этих важнейших для будущего человечества вопросах.

Программа сокращения антропогенного возмущения и восста­ новление принципа Jle Шателье в биосфере может оказаться ус­ пешной при условии, что уже сейчас будут полностью прекращены в глобальных масштабах экспансия хозяйственной деятельности и освоение еще не искаженных цивилизацией естественных участков биосферы, которые могут быть очагами ее восстановления.

Наибольшую ценность на Земле, как наиболее продуктивные сообщества континентов, представляют из себя леса и болота, среди которых особую ценность имеют тропические сообщества, а также леса и болота средних широт. В отсутствие возмущений естествен­ ные леса и болота не воздействуют на внешнюю среду. Девствен­ ный лес начинает воздействовать на внешнюю среду только при ее возмущениях, причем в направлении компенсации возмущений.

160