О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.

Приложение 1. Путь к ноосфере (Н. С. Печуркин)

3. Различные подходы и оценки ноосферных проблем

В главе приведены примеры «перестройки», перекраивания лика биосферы для экспоненциально растущих нужд человечества. Этот процесс происходил стихийно, не направлялся разумом и, как правило, приводил к антиэкологическим разрушительным результатам. Следует заметить, что имеется принципиальная трудность, которая, может быть, оправдывает или хотя бы объясняет антиэкологическое поведение человека. Она заключается в том, что не человек создал природные устойчивые биогеоценозы (экосистемы) и работа на него не входила в их функцию (хотя они и создали нас, но их стихийная, неуправляемая эволюция не успевает за темпами эволюции человечества).

Дело в том, что природные устойчиво работающие, сбалансированные экосистемы не могут выполнять какую-то функцию, навязанную им извне. Полная или сбалансированная экосистема не способна выдавать какую-либо продукцию «на сторону», она все утилизирует внутри себя. И чем более она полна и сбалансирована, тем более она замкнута, тем дольше она может существовать (пример с замкнутостью биосферы рассматривался). Всякое изъятие ее продукции снижает ее устойчивость. Чем выше продуктивность «на сторону», «на заказ», тем ниже устойчивость. Хорошо известна неустойчивость нужных человеку сверхпродуцентов: сельскохозяйственных растений, новых продуктивных пород животных, биоинженерно сконструированных штаммов промышленных микроорганизмов. Роль разумного управления такими системами непрерывно возрастает. Если же перейти на уровень невмешательства в биосферу, использования ее даров (что-то типа древнего собирательства), то численность человечества надо немедленно уменьшить в сотни или даже тысячи раз, что даже на миг невозможно вообразить (войны, эпидемии, массовые убийства???).

Потому-то так и возрастает роль управляемого интеллектом развития биосферы. Здесь отмечались трудности становления ноосферы, связанные с разного рода разделениями человечества по множеству параметров. К сожалению, сама естественнонаучная мысль еще не готова к выработке единой концепции ноосферы, которую можно было бы принять за руководство к реальным ноосферным действиям. Экологический глобальный интеллект человечества еще не сформировался, но он должен это сделать, и сделать чрезвычайно быстро. Трудности на пути его формирования велики, главные из них – это сложность задачи и спрессованность времени (мгновенность появления проблемы).

Современные представления о роли, фазах развития, путях становления ноосферы, как отмечалось, многообразны, во многом отличаются друг от друга и даже доходят при обсуждениях до взаимоотрицаний и исключений.

Приведем лишь некоторые из них, чтобы продемонстрировать сложность ситуации и необходимость поиска оптимальных решений.

Концепция бесприродного технического мира

Это типичная концепция «технократов», которые быстро превращаются в алармистов, полагающих, что экологическая катастрофа неотвратима и человечество вынуждено будет обитать в искусственном мире техносферы, а природа в естественном виде исчезнет. По этой концепции, у человека только и осталось время, чтобы подготовиться к жизни в новом техническом мире. Современный уровень техники, по этим представлениям, уже и теперь позволяет построить большой бесприродный технический мир (БТМ), фрагменты которого создавались ранее в ограниченных пространствах: подводных лодках, космических аппаратах и др. Функции природы по обеспечению человечества воздухом, водой, питанием техника должна будет взять на себя. Вместо биосферы будет техносфера, автономная и независимая.

Конечно, это крайняя точка зрения. Биофизикам и экологам, имеющим опыт разработки автономных систем жизнеобеспечения человека (СЖО), она представляется абсолютно утопической и не реализуемой в масштабах планеты, по крайней мере, в пределах ближайших столетий или тысячелетия. В пределах же шкалы времени одной жизни (или двух-трех поколений) она бессмысленна. Говорить об этом в данный момент как о возможной альтернативе или даже возможном выходе из кризиса, это значит поддаться «гордыне технократии» и еще дальше влезть в тупики техногенеза. Человек настолько сильно зависим от биотического круговорота, что без него не сможет существовать даже в единичных, отдельных действиях, а уж никак не в общечеловеческом масштабе. Космические полеты продемонстрировали, что физический полет в космос, отрыв от планеты технически осуществим, но физиологическая, биологическая пуповина крепко связывает человека с Землей. Ни одна физико-химическая СЖО космонавтов не может работать по принципу полного замыкания, т. е. не может быть автономной, она обязательно имеет тупики и обеспечивается запасами с земли.

Если когда-нибудь и удастся создать более или менее длительно работающую СЖО (база на Луне или Марсе, орбитальная станция типа «Мир» или МКС и т. д.), то она для автономности должна будет иметь круговорот веществ, функционально, биохимически и физиологически подобный биотическому круговороту нашей Земли. Имеющийся опыт разработки СЖО на биологической основе хорошо подтверждает эту идею, демонстрируя как ее перспективность, так и огромные сложности на пути ее осуществления.

Биосферика как интегральная наука о развитии биосферы, ее переходе в ноосферу

При изучении биосферы нельзя проводить над ней эксперименты любого типа. Это можно делать с малыми ее моделями, т. е. с искусственными экологическими системами типа замкнутых экосистем различной степени сложности и замкнутости. На таких модельных экосистемах можно (и должно) изучать как частные законы развития отдельных элементов и звеньев экосистем, так и общие закономерности развития всего биологического круговорота.

В настоящее время формируется новая область науки – биосферика (биосферология), которая должна разработать научные основы гармонизации отношений человечества и природы, открыть путь к ноосфере. Замкнутые экологические системы (от простых микросистем до более сложных систем жизнеобеспечения человека в экстремальных условиях Земли и Космоса) являются одними из главных ее объектов. Биосферика по своей природе интернациональна, она должна получить поддержку как в интеллектуальном, так и в экономическом и социальном плане.

Термин «биосферика» обсуждался на первом международном совещании по истории, современному состоянию и будущему замкнутых экологических систем, состоявшемся в июле 1987 г. в Лондоне под эгидой Королевского общества. Биосферика была названа интегрирующей дисциплиной, использующей достижения многих отдельных наук, поскольку при разработке искусственных «биосфер» требуется совершенное владение биогеохимическими потоками вещества и энергии, использование совершенных технологий и компьютерных систем, достижений генетики, теории питания, управления и т. д.

В резолюции второго международного совещания по замкнутым экосистемам (сентябрь 1989 г., г. Красноярск – Шушенское, Россия) так определены потребности современного этапа развития цивилизации в области биосферики:

1. Необходимо создать реальные действующие модели земной биосферы для познания закономерностей, которые управляют ее жизнью, в особенности в условиях экологического стресса, принявшего глобальные масштабы.

2. Требуется разработать для человека искусственную биосферу, которая может его сопровождать за пределами биосферы Земли, например, в космическом пространстве.

3. Имеется потребность в создании наземных систем жизнеобеспечения человека, которые обеспечивали бы высокое качество жизни в экстремальных условиях (в полярных широтах, пустынях, горах, под водой и т. д.).

4. Замкнутые экологические системы открывают перспективу развития новых технологий для решения проблем, связанных с загрязнением городской среды обитания и для развития высокопродуктивных саморегулирующихся агросистем.

К крупным (тактическим) научным задачам биосферики можно отнести разработку научных биолого-технических основ для обеспечения устойчивого существования и развития человечества в биосфере. Конечно, это задача не только для биосферики, но, похоже, что последняя, в силу своих методологических особенностей, может оказаться наиболее полезной в решении этой, становящейся все более острой, задачи.

Главная стратегическая задача биосферики, более отдаленная, но и более заманчивая, – это поиск путей к ноосфере, к сфере, управляемой разумом и распространяющейся не только на одну планету Земля, но также и на ближайший и дальний Космос.

Для иллюстрации экспериментальных ноосферных моделей можно упомянуть два примера уникальных экспериментальных исследований, в которых ставилась задача интенсивного использования функций биотического круговорота для жизнеобеспечения человека в замкнутом пространстве.

1. СССР – Россия, Красноярск, Институт биофизики (1960–1990-е годы). Проекты «Биос».

Были разработаны, построены и изучены системы «человек – водоросли» с регенерацией сначала только атмосферы, а затем атмосферы и воды. Практическая несъедобность водорослей подтолкнула к введению их в систему обычных сельскохозяйственных растений – пшеницы, моркови, свеклы и др., хотя культивировать их технически сложнее, чем водоросли. Были созданы новые варианты эамкнутых систем, самым сложным из которых является экспериментальный комплекс «Биос-3». В нем были проведены серии экспериментов с системой «человек – высшие растения». Во время опытов 2–3 испытателя жили по 4–6 месяцев в системе, изолированной по обмену веществ от окружающей среды. За счет высокоинтенсивного фотосинтеза в замкнутых экологических системах (ЗЭС) полностью регенерировалась атмосфера и вода и частично (от 30 до 77 %) пища. Суммарные биологические потребности человека удовлетворялись за счет внутрисистемного круговорота на 90–95 %.

Таким образом, впервые в мировой науке и практике было экспериментально показано, что при замыкании человек и фотосинтезирующие организмы принципиально совместимы в системе с биологическим круговоротом веществ. Следует отметить высокую интенсивность круговорота: для полного обеспечения одного человека кислородом и водой и на 30–50% пищей (остальная пища – лиофилизированные запасенные продукты) достаточно 13–14 кв. м интенсивной культуры высших растений при интенсивном потоке фотосинтетически активной радиации около 150 Вт/ кв. м. Долговременное пребывание человека в замкнутой системе не вызывало каких-либо отрицательных последствий для его здоровья, хотя и не было получено стационарного уровня сопутствующей микрофлоры.

Комплекс «Биос-3» может быть использован как экспериментальная модель для разработки закрытых комплексов жизнеобеспечения людей в экстремальных условиях Земли (арктические и высокогорные зоны, глубины гидро- и литосферы и др.); для создания и отработки вариантов лунных и инопланетных поселений людей; для изучения степени устойчивости процессов биологического круговорота веществ в биосфере при антропогенных загрязнениях среды. (Экспериментальный комплекс «Биос-3» входит в состав Международного центра по ЗЭС (Институт биофизики, Красноярск, Россия)).

2. США. Аризона (1980–1990-е годы). Проект «Биосфера-2».

Ведущие разработчики проекта «Биосфера-2», авторы книги «Космические биосферы» (1992), Д. Аллен и М. Нельсон во многом опирались на идеи Вернадского о ноосфере. В концепции ноосферы Вернадского они видят новый этап в эволюции биосферы, шаг разумной адаптации отношений между человеком и природой, фактор примирения в конфликте техносферы и биосферы (см.: Space Biospheres, by J. Allen and M. Nealson, 1989; Synergetic Press, Arisona. Р. 50 и др.).

Проект «Биосфера-2» был задуман разработчиками как микромодель проекта «Биосфера-1» (т. е. биосферы Земли), позволяющая изучать динамику экосистем и процессов, аналогичных процессам, протекающим в глобальной биосфере. «Биосфера-2» отличается от всех предыдущих лабораторных экологических микро- и макрокосмов размерами, разнообразием экосистем и степенью материального замыкания. Это уникальное биолого-техническое окружение, площадь которого превышает гектар (1,28 га), объем более 180 тыс. м³. «Биосфера-2» материально изолирована (т. е. по потокам вещества) от окружающей атмосферы и почвы с помощью герметических стеклянных рам и плит из нержавеющей стали. «Биосфера-2» энергетически открыта для солнечного излучения (фотосинтез) и по электропитанию для термо- и влагорегуляции; она также и информационно открыта, связана с внешним миром через компьютеры, теле- и радиосвязь. Она включает в себя две больших части: антропогенное крыло (сельскохозяйственный и жилой отсек, где и осуществляются основные биотические циклы) и крыло с биомами дикой природы (влажный тропический лес, саванна, пустыня, болото и океан). С точки зрения инженерной, данное сооружение, бесспорно, является венцом применения «высоких технологий» для биолого-технических систем.

Что касается научной части уникального эксперимента («замыкание» экипажа из 8 испытателей в течение 2 лет – «биосфериане»), то его результаты не столь бесспорны и блестящи. Много трудностей пришлось испытать и преодолеть участникам эксперимента, вплоть до ситуаций, грозивших их здоровью и даже выживанию (повышение концентрации СО₂, катастрофическое понижение содержания О₂, хронический недостаток калорий в пище и т. д.). Однако главные цели проекта и эксперимента достигнуты: разработчики и участники эксперимента показали, что, несмотря на высокий технологический уровень, все люди и в том числе ученые-биологи плохо знают, как функционирует основа нашей жизни – биотический круговорот и что не просто понять, как устроена и действует наша глобальная система жизнеобеспечения – Биосфера-1.

Путь к ноосфере далеко не так легок, как казалось, и первые достаточно трудные практические шаги подтверждают это. Честь и хвала первопроходцам, но их усилий явно недостаточно.

Концепция «Гея» (Gaia) – планета Земля как живой организм

Эта интригующая концепция выдвинута и обоснована в 1970-е годы известным английским геохимиком Д. Лавлоком [Lovelock, J. E., 1979. Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford: Univer Press.]. По этой гипотезе биота, океаны, атмосфера и почвы представляют собой систему глобального масштаба, которая является саморегулирующейся и, следовательно, живой (само название концепции – Гея – связано с именем древнегреческой богини Земли). Необходимость ввести саморегуляцию Земли возникла у Лавлока, чтобы объяснить удивительный парадокс: поток энергии Солнца в историческом времени сильно изменился. У молодого Солнца он был меньше, и Земля имела тогда отрицательную температуру на поверхности, жизни на ней не было. Палеонтология говорит об обратном, т. е. жизнь не прерывалась миллиарды лет. Более того, если бы древняя атмосфера Земли сохранилась сейчас, то на нашей планете в настоящее время жизнь была бы невозможной из-за перегрева ее поверхности, вплоть до точки кипения воды. Следовательно, есть кто-то, кто отслеживает изменения так, чтобы на Земле поддерживался термостазис в области температур, благоприятных для длительного существования жизни. Этот кто-то и есть сама наша Планета, т. е. живое существо Гея. Нетрудно представить, что эта гипотеза вызвала огромное количество споров среди ученых разных направлений: от полного отрицания до активного безоговорочного восприятия.

Естествоиспытатели воспринимают эту гипотезу как очень полезную и красивую метафору. Она привлекла внимание специалистов разных профилей к изучению биосферы нашей планеты, ее истории, эволюции, определению «гайянских» (т. е. стабилизирующих) механизмов обратных связей или «антигайянских» (т. е. дестабилизирующих среду). К счастью, для сохранения жизни и ее длительного существования практически все зависимости активности биоты, скорости роста и развития живых организмов от параметров среды имеют колоколообразную форму. Следовательно, почти все они ведут к стабилизации условий среды, так как выход за оптимальные условия, за края колокола, ограничивает развитие жизни. Активнее живут те, которые не нарушают правил игры, среди которых одно из главных – стабилизация условий существования.

Не вдаваясь в подробности этой концепции, можно согласиться с ее автором Д. Лавлоком, который характеризует Гея-гипотезу как «новый биоскоп», через который можно взглянуть на жизнь на Земле (Lovelock, J. E., 1988. The Ages of Gaia. New York.). Отметим необходимость выработки синтезирующих концепций и гипотез типа «Гея» Лавлока. Судьба гипотез в науке – это их обсуждение и проверка. В настоящее время гипотеза «Гея» привлекает внимание многих ученых к изучению взаимодействия между физико-химическими условиями среды и биотой планеты (между живой и косной материей по Вернадскому). Формулировка основных количественных связей, выделение ведущих факторов, нахождение критериев развития, разработка математических моделей биогеохимических циклов различного уровня замкнутости и сложности вплоть до биосферного, оценка устойчивости и управляемости биогеосистем – это и есть реальная работа по изучению биосферы и становлению ноосферного мышления.

Концепция здоровья надорганизменных систем, включая биосферу

С практической точки зрения, особый интерес для организации количественного мониторинга и контроля за функционированием любой из надорганизменных биосистем, включая биосферу, представляет концепция «здоровья биосистемы», или представление о ее нормальном функционировании. В частности, например, одним из ключевых показателей здоровья природной экосистемы и всей биосферы может служить продуктивность фотосинтеза каждой единицы поверхности ( наземной или водной). Всякое отклонение от нормы, т. е. от средней величины (мгновенной, сезонной, многолетней), должно рассматриваться как синдром определенного нездоровья данной системы (территории), аналогично показаниям термометра для человеческого организма.

Далее должны приниматься соответствующие меры для «выздоровления» наблюдаемой системы и возвращения ее к нормальному функционированию. Таким образом, концепция здоровья надорганизменных систем может и должна оказаться суперполезной для практического использования во многих конкретных случаях.

Глобальное экологическое моделирование

Разработка глобальных математических моделей поведения эколого-экономо-социальных систем началась с работ Римского клуба и получила серьезное развитие в исследованиях школы академика Н. Н. Моисеева. Отметим, что такие модели, основанные на системах нелинейных дифференциальных уравнений (от нескольких уравнений до сотен и тысяч уравнений), как правило, численно просчитываются на компьютерах, от простых персональных до мощных специальных (типа CRAY). Именно на таких моделях было показано всему человечеству, что наша цивилизация ведет себя к глобальному экологическому кризису, т. е. к катастрофе.

Концепция коэволюции человечества и биосферы

Эта концепция, развиваемая Н. Н. Моисеевым, естественным образом вытекает из работ по глобальному моделированию, ибо одной из главных задач последнего является поиск путей и вариантов выхода из конфликта: техносфера – биосфера. Н. Н. Моисеев в статье «В. И. Вернадский и современность» (Сер. «Библиотека трудов академика В. И. Вернадского». Кн. 2. М.: Наука, 1994. С. 642) писал, что переход биосферы в ноосферу, по Вернадскому, лежит в основе его (Моисеева), учения об универсальном эволюционизме и коэволюции человека и биосферы. Добавим, что Н. Н. Моисеев в той же статье отмечал, что В. И. Вернадский и Тейяр де Шарден, великие мыслители, провозвестники ноосферы, имели «больше оснований для оптимизма, чем люди нашего времени. Они не знали об атомном оружии и не предполагали, что человечеству уже в обозримом будущем предстоит преодолеть глобальный экологический кризис чрезвычайной остроты… И переход в ноосферу не будет плавным и безболезненным «слиянием рас, природы и Бога», как это считал Тейяр де Шарден, а станет, скорее всего, бифуркацией с непредсказуемым исходом». (Напомним, что бифуркация – это резкое изменение (как минимум, раздвоение – отсюда и происходит сам термин) плавного хода развития любой сложной системы действительно с непредсказуемым исходом).