2. Устойчивость стационарного состояния

НЕВОЗМУЩЕННОЙ БИОСФЕРЫ.

Определение порогов устойчивости экосистем различных уров­ней сложности по отношению к антропогенным воздействиям сос­тавляет основную задачу современной экологии, изучающей взаимодействие живых организмов и образуемых ими сообществ меж­ду собой и окружающей средой в рамках единой естественной науки.

Научный подход к проблеме глобальной экологической безопасности основывается на анализе механизмов, обеспе-чивающих устойчивость стационарного состояния невозмущенной Биосферы.

Равновесное состояние физической системы определяется минимумом ее термодинамического потенциала как функции естественных термодинамических переменных. При неизменных внешних условиях соответствующий потенциальный рельеф не меняется, поэтому равновесное состояние сохраняется неопределенно долго.

Принципиально иная картина устойчивости реализуется при организации стационарных состояний биологических систем. На популяционном уровне биологические системы существуют на пике конкурентоспособности, поэтому обладают конечным временем жизни даже при неизменных (отдельные особи) или слабо меняющихся (популяции) внешних условиях.

Фенотипические признаки организмов и наборов, ими образуемых, изменяются со временем под влиянием неизбежных распадных процессов старения (точно так же меняются со временем и параметры технических устройств) или специализации видов в из­мен­чивых условиях внешней среды. В течение конечного времени _о фун­­даментальный закон природы, называемый принципом Ле-Шателье, за счет отрицательной обратной связи всё же поддерживает устойчивость ста­ционарного состояния, но по мере накопления ошибок отклик сис­темы на внешнее возмущение ослабевает. После того, как на­копление ошибок достигло критического уровня надёжности, су­ществование устойчивого сверхупорядоченного состояния жизни ста­но­вится невозможным. Это означает смерть особи или вырождение вида.

Надежность биологических систем, характеризуемая средней про­должительностью жизни _о («сроком службы»), обеспечивается в При­роде весьма разнообразными способами (репарация ДНК, био­хи­ми­чес­кий контроль гемодинамики, регенерация ферментов, тканей и от­­­­­­дель­ных органов, иммунная реакция, поведенческие механизмы и т.д.). Она оказывается достаточно высокой для отдельных живых орга­низмов ( лет для унитарных и модулярных организмов, со­от­вет­ственно) и исключительно высокой для отдельных видов (_о  10⁶ лет).

Но как показывает опыт натурных наблюдений, абсолютно устойчивой (надёжной) оказывается лишь глобальная жизнь, реализуемая последователь-ностью полных наборов временных участников. При этом свойство полноты наборов определяется по отношению к способности компенсации ими потоков синтеза и разложения органики с необходимой для жизни точностью.

Возможность устойчивого состояния жизни не противоречит фундаментальным законам природы, в частности, 2-му началу термодинамики и определяется: 1) квантовым механизмом наследственности, допускающим безошибоч-ную в пределах нормы приспособленности репликацию генотипов (Н.Кольцов, Э.Шредингер); 2) естественным отбором (Ч.Дарвин, А.Уоллес) безошибочных или прогрессивных вариантов, действующим в соответствии с фундаментальным законом природы, сформулированным Вернадским, Гаузе и Пригожиным, и 3) полным – для замыкания биогеохимических потоков в изменчивых условиях окружающей среды – разнообразием наборов видов живых организмов (В.Горшков).

Заметим, кстати, что эволюция видов, механизмы которой ещё далеко не установлены, необходимой для устойчивости жизни отнюдь не является. С точки зрения физики, она не принципиальна – вроде колоска, ползущего при потряхивании в одном направлении, – и её конкретные воплощения в ходе естественного отбора – лишь заурядный выбор по рецепту Вернадского-Гаузе-Пригожина лучшего из случайно подвернувшихся (а не из всех возможных!). Забавно, что «лучшим» иногда может быть и деградация. Необязательность эволюции для сохранения устойчивости жизни демонстрируют некоторые эврибионтные виды микроорганизмов, например диатомовые водоросли. И всё же, как показывают натурные наблюдения, эволюция, производя тонкую настройку, способствовала всё большей и большей стабильности Биосферы – вплоть до появления человека.

Приведенные аргументы однозначно указывают на то, что устойчивая глобальная жизнь не является произвольным набором видов, а обнаруживает основные системные признаки, а именно, состоит из связанных между собой элементов, осуществляющих определенную интегральную функцию (синтез и разложение органики). Высочайшая надежность реализации этой функции достигается многократным дублиро-ванием поразительно разнообразными формами жизни. О системности Биосферы говорит и тот факт, что энергетические и биохимические потоки через биоту имеют внутреннюю структуру, образуя сложные графы трофических сетей.

В соответствии со сказанным, Биосфера определяется как глобальная, сложная, самосогласованная динамическая система, состоящая из среды обитания и населяющей ее жизни. Функция отклика системы на внешнее возмущение является ее интегральной характеристикой. Так, при увеличении нагрузки на стержень, упругая система переходит в пластичную, а после превышения предела прочности – в две независимые подсистемы. Точно так же для Биосферы должны существовать пороговые воздействия, превышение которых радикально изменит ее функцию отклика – вплоть до разрушения. Определение величины этих порогов составляет, как уже говорилось, основную задачу современной глобальной экологии.

Наличие бифуркаций делает однозначный прогноз эволюции квазистационарных состояний сложных систем динамического равновесия (диссипативных структур) при надпороговом внешнем воздействии принципиально невозможным, что исключает, кстати, математическое моделирование. Так, невозможно предсказать даже последовательность картинок в детском калейдоскопе, наступающую при плавном изменении управляющего параметра (угла поворота). Это тем более относится к Биосфере как системе, не имеющей в абиотической среде даже далёкого аналога в сложности – ни по структуре, ни по типам и количеству нелинейных внутренних взаимодействий.

Уникальность Биосферы не дает возможности и для глобальных статистических обобщений в рамках эргодической гипотезы – наподобие того, как это делается при оценке эффективности нового лекарственного препарата по наблюдениям в опытной и контрольной группах.

Ключом для решения беспрецедентно сложной проблемы устойчивости Биосферы по отношению к внешним возмущениям может быть только надёжно установленный опытный факт. Таким единственным опытным фактом относительно устойчивости Биосферы, имеющимся в распоряжении науки, яв-ляется факт её благополучного существования в течении 3,5 млрд. лет на фоне естественных временных изменений важней-ших экологических факторов А (см. рис.1), обусловленных различ-ными причинами, в том числе геохимического или космического происхождения. Характерный масштаб времени , с точки зрения экологии, видоспецифичен и измеряется временем жизни многих поколений (>>₀).

Рис.1 Динамика экологического фактора А за геологически большие времена; - масштаб усреднения

В рамках научного метода, опирающегося на опытные факты, остаётся предположить, что антропогенное воздействие А_АНТР, удовлетворяющее условиям:

, (1)

возможно, допустимо без нарушения устойчивости Биосферы. Здесь (А) – среднее квадратическое отклонение А за геологически большие времена  порядка 10⁶ лет (среднее время жизни вида), – средневидовая экологическая валентность по фактору А. Любые предположения о допустимости больших антропогенных воздействий в расчете на способность живых организмов к соответствующей адаптации могут составить предмет веры, но не научного анализа.

1. – это оценки по максимуму, не учитывающие синэргизма, являющегося следствием взаимодейс-твия экологических факторов. Монотонность отклика некоторых экологических факторов на антропогенное воздействие, например увеличение средней температуры вблизи поверхности Земли с ростом энергопотребления человека, накладывает дополнительные – ужесточающие – ограничения на величину такого воздействия.

Кроме (1), чрезвычайно важно также сохранение видового разнообразия глобальной биоты. Очень опасно, особенно на уровне микроорганизмов, разделение видов на «вредные» и «полезные», отражающее антропогенную точку зрения. Борьба с «вредным» видом может превратить его за счет искусственного отбора в опасную «сжатую пружину», а последствия полной над ним победы вообще непредсказуемы, т.к. неизвестно, какой вид «вспыхнет» в экологической нише исчезнувшего. На самом деле, длительное существование любого вида в Природе, по-видимому, нужно считать залогом его неоспоримого права на продолжение существования – несмотря на то, приятно это человеку или нет.

Условия (1) – основа для научного нормирования допустимой антропогенной нагрузки на Биосферу. Различные варианты концепции ПДК (предельно допустимых концентраций), не согласующиеся с (1), следует считать заведомо порочными.

Принципиальное значение для экологии имеет вопрос о биологической регуляции условий окружающей среды. Если такая регуляция действительно имеет место, то для обеспечения стабильности окружающей среды необходимо естественную биоту либо сохранить в достаточном объеме (весомый аргумент в пользу охраны дикой природы!), либо уничтожить – быстро и практически полностью, переложив ответственность за сохранение стабильности окружающей среды на человека (ноосферный вариант).

Геология и палеогеография доказывают, что за время существования Земли физико-химические условия на ее поверхности постоянно изменялись. В калейдоскопе событий, происходивших в последние примерно 3,5 млрд. лет, самым, однако, удивительным был относительно небольшой размах геофизических характеристик, от которых зависит возможность существования жизни. Об этом свидетельствуют никогда не замерзавший и не кипевший за всю известную геологическую историю Океан и постоянно присутствующая биота.

Наиболее полно эволюция Земли изучена за последний крупный геологический отрезок времени – фанерозойский эон, начавшийся около 600 млн. лет назад. Этот период оказался одним из самых стабильных за всю историю планеты, что подтверждает, например, такая характеристика, как средняя глобальная температура у её поверхности: за этот огромный промежуток времени все изменения средней глобальной температуры укладывались в десятиградусный диапазон, а в рамках самого фанерозоя для всё более коротких отрезков времени средняя глобальная температура оказывалась всё более устойчивой характеристикой.

Традиционно сохранение на Земле условий, пригодных для жизни в течение всех 3,5 млрд. лет ее существования, рассматривалось как случайность.

Чрезвычайная узость допустимых для существования жизни пределов изменения условий окружающей среды привела, однако, в наше время к формулировке так называемой гипотезы Геи, согласно которой изменения этих условий за геологические периоды времени порядка миллионов лет каким-то образом контролировались самими живыми организмами. Есть все основания полагать, что эволюция условий на поверхности Земли шла в направлении всё большей стабильности, т.е. меньшего размаха колебаний характеристик окружающей среды, создающего оптимальные условия для существования жизни. Устойчивость окружающей среды обеспечивалась при этом принципом Ле-Шателье, действующим в невозмущенной биоте: все случайные геофизические и космические возмущения окружающей среды компенсировались путем соответствующих изменений функциони-рования естественной биоты.

Механизмы биологической регуляции в рамках гипотезы Геи весьма разнообразны. Еще В.Вернадский отмечал огромную роль жизни в формировании условий на поверхности Земли. Согласно его второму биогеохимическому принципу, эволюция видов и возникновение устойчивых форм жизни шли в направлении усиления биогенной миграции атомов в Биосфере. Именно живому компоненту Биосферы, а не физико-географическим или геологическим процессам принадлежит ведущая роль в преобразовании вещества и энергии на поверхности Земли. Взаимосвязь эволюции органического мира с основными биогеохимическими процессами Вернадский усматривал прежде всего в биогенных миграциях химических элементов, т.е. в прохождении их через организмы. Накапливая биогены, биота создала ископаемое топливо и сформировала гигантские отложения горных пород. Сейчас находится всё больше и больше свидетельств того, что огромные залежи железа, марганцевых руд, фосфоритов, бокситов, карбонатных и кремнистых пород в верхних слоях земной коры или созданы, или связаны с деятельностью биоты; Вернадский называл граниты следами былых Биосфер.

Доказано, что биота в основном сформировала кислородную атмосферу Земли. Не исключено её участие в образовании вод Мирового океана, например путем синтеза из СО₂ и СН₄. Биота суши за счет транспирации создаёт мощный континентальный влагооборот, на (70-75)% контролирующий полный.

Концентрация растворённого углекислого газа в глубине Океана в несколько раз выше, чем у поверхности. Поверхностная же концентрация находится в равновесии с атмосферной концентрацией СО₂. При прекращении жизни в поверхностном слое Океана концентрации углекислого газа у поверхности и в глубинах Океана сравнялись бы. В результате произошел бы выброс СО₂ в атмосферу с катастрофическими последствиями. Следовательно, биота Океана удерживает атмосферную концентрацию СО₂ и тем самым контролирует парниковый эффект, сохраняя приземную температуру на приемлемом для жизни уровне и обеспечивая стабильность среды.

Наконец, биота существенно влияет на формирование рельефа с характерными масштабами от сантиметров до десятков метров. На суше в этом участвуют землеройные организмы, а в Океане, например, кораллы, создающие крупные постройки (рифы) и даже острова.

Но наиболее полный контроль биота осуществляет за биогенами. Поскольку соотношение концентраций биогенов в разных живых организмах, определяемое стехиометрией, различается не слишком сильно, для оценок по порядку величины можно ограничиться одним из наиболее важных – углеродом.

Детальный количественный анализ биогеохимического цикла углерода сделал российский физик-теоретик и эколог В. Горшков, внесший выдающийся вклад в развитие современной экологии. Он, в частности, показал (см. Табл. 1), что за период фанерозоя стабилизирующая окружающую среду раскомпенсация потоков синтеза и разложения органического углерода, накапливаемая в осадочных породах со скоростью , поддерживалась биотой невозмущенной Биосферы в среднем на уровне геофизического выброса углерода из недр планеты с точностью до 8-й значащей цифры!

~ 10^{─ 4} (2)

Табл.1 Запасы органического и неорганического углерода в Биосфере (Гт) и осадочных породах (Гт) и соответствующие потоки ( Гт/год ).

Потоки углерода					Запасы углерода
Органический		Неорганический			Органический		Неорганический

Как видно из Табл.1, при огромной мощности потоков синтеза и разложения органики меньшая точность могла бы за время порядка миллиарда лет привести к превращению атмосферы Земли в углекислую, подобную атмосфере Венеры, либо к полному исчерпанию запасов неорганического углерода в атмосфере; и то, и другое сделало бы жизнь на Земле невозможной. Поскольку этого не произошло, отсюда следует, что разрешающая способность биоты по изменению геофизических условий на поверхности планеты исключительно высока, ибо случайная корреляция двух гигантских величин ( и ) с такой поразительной точностью и на протяжении геологически больших периодов времени просто невероятна.

Из (2) и статистического закона больших чисел с большой вероятностью следует, что стабильность потока синтеза обеспе-чивается огромным числом модулей автотрофных организмов, а стабильность потока разложения достигается универсальным распределением потребления первичной продукции по размерам унитарных гетеротрофов. Во всех устойчивых экосистемах разложение органического вещества, накопленного растениями, осуществляется в основном в детритных цепях питания организмами микроскопических размеров. На долю крупных животных (в том числе и человека) в пастбищных цепях питания приходится не более 1% продукции растений. Это – эко-логический предел, не нарушающий стабильности жизни. Таким образом, Биосфера в целом и природные экосистемы, в частности, обладают некоторой предельной хозяйственной емкостью, превышение которой угрожает стабильности Биосферы и экосистем («Боливару не снести двоих»!), что лишает человека его фундаментальной базы. Осознание этого факта делает необходимым отказ от привычных антропоцентрических представлений: «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у нее – наша задача». Наоборот, человек должен четко осознать своё объективно более чем скромное место в Биосфере и суметь вписаться хозяйственной деятельностью в естественный ход событий, не нарушая его, несмотря на свою исключительную энерговооруженность. Пока что он этого не делает, чем ставит под угрозу и собственное существование как вида. Действительно, из факта отсутствия глобальных экологических катастроф на Земле в прошлом можно сделать обоснованный вывод о том, что в Биосфере действуют надёжные механизмы устранения опасных для глобальной устойчивости видов (например, динозавров).