Экологическая альтернатива человека в биосфере и ноосфере
А.С.Керженцев
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, ПущиноДанная работа является первой предварительной попыткой реализации оригинальной идеи Д.Н.Кавтарадзе о городе как реакторе, перерабатывающем природные ресурсы, выдвинутой им в частной беседе.
По данным ФАО за последние 50 лет численность населения Земли удвоилась, а площадь зерновых культур в расчете на одного человека вдвое сократилась. Ретроспективный анализ показал ускоряющийся рост этого диспаритета. Тенденция притока сельских жителей в крупные города уже давно сопровождается ускоренным ростом урбанизации биосферы.
По мнению В.И.Вернадского, это естественный природный процесс экспансии Жизни и ее растекания по Земле, ближнему и дальнему Космосу. А другой великий соотечественник К.Э.Циолковский образно подтвердил это положение: "Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели". Однако негативный опыт превращения человеком могучих тропических лесов и саванн в бесплодные пустыни и нарастающая разрушительная сила современного оружия, заставляет критически отнестись к этой угрожающей тенденции с тем, чтобы заранее просчитать пределы роста урбанизации биосферы и избежать экологического кризиса с летальным исходом.
Для этого надо, прежде всего, избавиться от догмы противопоставления человека природе, уже сыгравшей свою негативную роль. Гораздо полезнее принять, что человек - природное существо, действующее в строгих рамках законов природы. Незнание этих законов порождает экологические проблемы и периодически вынуждает человека искать выходы из очередного экологического кризиса. От других видов биоты человек выгодно отличается тем, что способен заранее просчитать возможные последствия своих действий, выбрать и реализовать наиболее выгодную и безопасную траекторию поведения в тактическом и стратегическом аспектах. Нужно только изучить и усвоить эти строгие законы, выработанные природой за время эволюции Жизни на Земле ценою гибели множества видов.
Экосистемы Земли сильно различаются не только по продуктивности, но и по устойчивости к стрессам. Тропическая экосистема, например, функционирует почти как проточная система. Она содержит минимум почвенного гумуса, поскольку функционирует в наиболее благоприятных условиях среды и не нуждается в системе защиты своих ресурсов, находящихся в постоянном обороте. В степных экосистемах, регулярно испытывающих смену благоприятных и неблагоприятных условий среды, создана сложная система накопления и экономного расходования (дозирования) ресурсов жизнеобеспечения в виде некромассы, включающей запасы ветоши, опада, дернины и почвенного гумуса с его сложной фракционной структурой.
Поэтому так сильно различается устойчивость упомянутых экосистем к стрессам. Дождевой тропический лес с его гигантской биомассой и высшей скоростью круговорота при воздействии негативных факторов может превратиться в пустынный ландшафт (Аравийская пустыня, железистые коры выветривания и т.п.). Степные экосистемы, накопившие огромные запасы гумуса, способны противостоять тысячелетним прямым воздействиям варварской агротехники и обеспечивать человека первичной биологической продукцией, соответствующего потребностям человека состава и качества. Благодаря сложному составу гумуса, его реакция на стрессы сдерживается масштабами характерного времени каждой фракции.
Современный город перерабатывает природные ресурсы в изделия и отходы. Изделия позволяют поддерживать высокую плотность популяции, а отходы создают ей ограничения. Если отходы превратить в изделия и ресурсы, они будут не ограничивать, а стимулировать рост численности популяции. Искусственные изделия - здания, сооружения, машины, механизмы, материалы, вещества, продукты, напитки - выполняют ту же роль, что и почвенный гумус в естественной экосистеме.
Это такая же временная перегруппировка ресурсов, удобная для биоты. Каждое изделие служит определенный срок, после чего должно возвращаться в исходное состояние - в ресурсы. В природных экосистемах гумификация обязательно сопровождает минерализацию отмершей биомассы - некромассы, создает запасник вторичных ресурсов для оперативного использования автотрофной биотой. Многоступенчатая система синтеза фракций гумуса и их минерализации обеспечивает надежность функционирования экосистемы в многолетнем цикле даже при возникающем регулярно дефиците ресурсов. Гумификация и урбанизация по функциональной сути аналогичные процессы, своеобразные петли гистерезиса на кривой катаболизма, сдерживающие энтропию.
Город - наиболее комфортная экологическая ниша, снабжающая одновременно большое число людей ресурсами жизнеобеспечения, выдерживающая сверхвысокую плотность популяции с помощью современных технологий и технических средств. Однако устойчивость такой системы к стрессам минимальна. Для ее разрушения достаточно усилий одного террориста или серьезной аварии энергосистем. Жизнеобеспечение сельского жителя менее комфортно, зато более надежно. Разрушить его гораздо сложнее. Всегда найдутся запасные варианты защиты.
Заложенное в человеке стремление к комфорту является двигателем прогресса, стимулирующим переход сельского населения в городское. Эта тенденция, в пределе, создает угрозу надежности функционирования урбанизированной системы. Если все человечество станет городским, то угроза его исчезновения от случайной аварии станет актуальной. Поэтому расчеты альтернативных вариантов будущего расселения человека должны учитывать и эту тенденцию. Можно рассматривать два крайних варианта: а) сосредоточить население в мегаполисах - островах урбанизации среди моря естественных и аграрных экосистем; б) рассредоточить людей равномерно по всей поверхности планеты в мелких хуторах и поселках.
Более предпочтителен первый вариант в сочетании со вторым. Будущее поселение землян нам представляется как мегаполис, окруженный роем мелких поселений-саттелитов, погруженный в океан естественно-аграрных экосистем. Однако надо учитывать, что ядро урбанизации - мегаполис может функционировать только при наличии надежной многоступенчатой системы защиты его функций от всевозможных стрессов и сбоев.
Природная экосистема для сохранения функции манипулирует собственной структурой, заменяя чувствительные к стрессам виды и сообщества другими, более живучими. Для этого у природы имеется большой выбор видов, созданных длительным процессом эволюции жизни. Человеческая популяция менее разнообразна, и это ограничивает приложение данной стратегии защиты к урбанизированной экосистеме. Разум должен найти обходные пути решения этой актуальной проблемы без нарушения гомеостаза глобальной экосистемы - биосферы. Но для этого надо отказаться от привычного противопоставления человека природе, которое только усугубляет экологический кризис.
Человек - биологический вид, наделенный разумом, дающим ему значительные преимущества перед другими видами. В отличие от других видов, человек может просчитать заранее варианты поведения и выбрать наиболее выгодную для себя тактику и стратегию безопасного поведения. Однако масштабы его деятельности и значимость ошибок касаются всей популяции, а не отдельных особей. Поэтому будущее человечества зависит от его способности соблюдать законы природы, сохранять гомеостаз биосферы. Надо только узнать эти законы и определить их роль в поддержании механизма функционирования биосферы - ее гомеостаза.
Все природные системы (клетка, организм, экосистема, биосфера) имеют единый принцип действия - обмен вещества и энергии или метаболизм (рис.1), который представляет собой способ поддержания жизни путем взаимодействия противоположных процессов: анаболизма и катаболизма. В биосфере функцию анаболизма - ассимиляции простых веществ в сложные - выполняет растительность, а функцию катаболизма - диссимиляции сложных органических веществ в простые минеральные - выполняет почва. Согласование этих процессов осуществляется в процессе некроболизма - запрограммированного генетически процесса умирания биоты, в результате которого происходит передача жизненно важных метаболитов в продолжающие функционировать органы и организмы (потомство).
Рис.1. Структурно-функциональная схема экосистемы
Обозначения: BM - биомасса; NM - некромасса; MM - минеральная масса; NF - естественные факторы; AF - антропогенные факторы; ANB - анаболизм; NKB - некроболизм; KTB - катаболизм; bsn - биосинтез; exc- экскреции; die - отмирание; ret - возврат ассимилятов; min - минерализация; gum - гумификация.
Процесс анаболизма состоит из двух противоположных процессов: фотосинтеза и дыхания. Процесс катаболизма - из минерализации и гумификации. Это значит, что в процессе анаболизма, часть синтезированного органического вещества используется для осуществления функций автотрофов, а в процессе катаболизма часть минерализованного вещества используется для вторичного синтеза почвенного гумуса. Почвенный гумус выполняет в экосистеме несколько функций. Он является одновременно накопителем невостребованных растениями минеральных элементов, хранителем стратегического запаса элементов и дозатором минеральных элементов, регламентирующим их передачу фитоценозу.
Биота экосистемы по экологической специализации делится на три взаимодействующие и взаимно уравновешенные группы: продуценты, консументы, редуценты. Экологический кризис обусловлен тем, что человек с помощью разума преодолел естественный лимит численности популяции и нарушил сложившееся равновесие, создав искусственные преимущества для консументов за счет подавления продуцентов и редуцентов. Поэтому выход из созданного человеком экологического кризиса надо искать либо в сокращении численности, активности и массы консументов, либо в искусственном стимулировании продуцентов и редуцентов. Иными словами, если человек не найдет способа сокращения численности населения Земли, он должен взять на себя выполнение функций продуцентов и редуцентов.
Современное земледелие и растениеводство является примитивным проявлением функции продуцента. Надо изменить масштабы и принципы этой деятельности. Работа в этом направлении ведется непрерывно. Совершенствуется агротехника, мелиорация, селекция, семеноводство. Функции редуцента человеком освоены гораздо слабее и проявляются в избирательной утилизации отходов жизнедеятельности. Но именно здесь заложены причины современного экологического кризиса - перепроизводство отходов, с которыми не справляется природная гетеротрофная биота.
В биосфере продуценты синтезируют первичную биологическую продукцию, консументы - вторичную, а человек создал новый класс биологической продукции - третичную, которая включает здания, сооружения, машины, механизмы, искусственные материалы, вещества, произведения искусства, памятники культуры. Первичная и вторичная биопродукция по завершении жизненного цикла поступает в распоряжение редуцентов и подвергается рециклированию до исходных элементов, которые направляются в новый цикл анаболизма. Третичная продукция постоянно накапливается в биосфере, нарушая цикл круговорота, поскольку природные редуценты не справляются с большой массой вещества неестественного состава. Кроме этого, неутилизированная масса третичной продукции оказывает негативное влияние на функции естественных продуцентов и редуцентов.
Город, как ядро урбанизированной системы, должен выполнять функцию катаболизма подобную той, которую почва выполняет в природной экосистеме. Пока он является накопителем и хранителем запасов вещества, необходимого для обеспечения анаболизма или синтеза первичной биологической продукции - фитомассы. Искусственный тромб круговорота вещества или цикла метаболизма зарождается и накапливается именно в этом звене. Для его рассасывания нужна региональная система перегруппировки вещества и передачи его в функциональный блок анаболизма - окружающие город естественные и аграрные экосистемы. Для этого у города есть все условия: квалифицированные кадры, современные технологии и технические средства, максимальная концентрация массы третичной продукции. Надо перенять у естественной почвы механизм функционирования и на его основе построить хозяйственный цикл города.
В природной экосистеме гармония между почвой и растительностью достигается тем, что они адекватно реагируют на колебания гидротермических условий. Почва регулярно поставляет фитоценозу нужное ему количество минеральных элементов, получая взамен отмершую биомассу. Согласованность достигается за счет сложного многофракционного состава гумуса, каждая фракция которого содержит разное количество зольных элементов, связанных углеводородной матрицей разного состава и прочности. В конкретных гидротермических условиях активизируется определенная микрофлора, разлагающая определенные фракции. В результате высвобождается определенное количество минеральных газов, солей и коллоидов.
Несогласованность, обусловленная разной инерционностью реагирования почвы и фитоценоза на изменения гидротермических условий, а также автономной реакцией фитоценоза на свет, а педоценоза на кислород, компенсируется каждым из компонентов экосистемы по-своему. В том случае, если почва выделяет больше минеральных элементов, чем требуется фитоценозу в данный момент, их избыток реагирует со свободными радикалами разлагающейся некромассы, образуя специфические для почвы гумусовые вещества и временно консервируются. Если же фитоценозу требуется больше минеральных элементов, чем выделено в данный момент почвой, растения сами провоцируют прикорневую микрофлору корневыми выделениями, а последняя минерализует гумус и устраняет или смягчает дефицит.
Принцип работы этого природного механизма надо воспроизвести в городской агломерации. Всю массу поступающего в город вещества можно отождествить с природным опадом, поступающим в блок катаболизма. В результате утраты самых подвижных фракций он через короткое время превращается в подстилку. Дальнейшая деструкция подстилки сопровождается вторичным синтезом новообразованных гумусовых веществ. Каждая фаза деструкции выделяет определенное количество минеральных элементов и консервирует остальное в форме новых более плотных фракций с более высокой концентрацией зольных элементов. Последняя, наиболее плотная фракция гуминов освобождается от углеводородной и зольной составляющих и выпадает в осадок в форме вторичных и первичных минералов. Так образуются шлаки экосистемы -остатки вещества, не востребованные фитоценозом и не вынесенные за пределы экосистемы водными и воздушными потоками.
В городе все отработавшие машины, механизмы, материалы, вещества, продукты, промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы (аналог природного опада) должны превратиться в единую по назначению субстанцию - в исходное сырье для вторичной переработки (аналог лесной подстилки). Далее должен начаться процесс ступенчатого уплотнения вещества вследствие потерь наиболее легких для утилизации фракций (аналог гумификации). Оставшаяся после извлечения всех полезных для нового цикла анаболизма элементов часть вещества формирует шлаки, выпадающие в осадок, используемый для закладки фундаментов новых зданий и сооружений, линий коммуникаций и захоронения.
В природной экосистеме выход вещества метаболизма в шлаки не превышает 1% общей массы экосистемы. По сравнению с ней урбанизированная экосистема является проточной, где возврат ресурсов не выше 10% и дисбаланс круговорота составляет около 90%. Если мы сумеем снизить дисбаланс хотя бы до 20%, можно быть уверенным в преодолении экологического кризиса. Только после этого можно будет говорить о переходе биосферы в ноосферу. Объективным признаком перехода биосферы в ноосферу должен стать управляемый гомеостаз биосферы, когда человек с помощью разума и созданной им техники сможет взять на себя дополнительные функции продуцента и редуцента, чтобы соотнести их с прогрессирующими функциями консумента.
Список литературы
1. Керженцев А.С. О разработке экологической концепции в почвоведении// Почвоведение. 1995. № 7. С.811-816.
2. Керженцев А.С. и др. Принципы регулирования функций экосистем// Экология и почвы. Сб. избранных лекций. Пущино, изд-во ОНТИ ПНЦ РАН. 1998. Т.1. С.219-236.
3. Иванникова Л.А., Керженцев А.С., Носова В.А., Глазунов А.Л. Контроль функционирования экосистем в полевых условиях// Там же. Т.2. С.144-155.
4. Деева Н.Ф., Керженцев А.С. Методические проблемы экологического картографирования// Почвоведение. 1998. №9. С.1112-1118.
5. Керженцев А.С. Механизм пространственно-временной изменчивости почви экосистем// Экология и почвы. М.: изд-во ПОЛТЕКС. Т.3. С.31-58.
Экоолис 2000: экология и устойчивое развитие города. Материалы III Межд. конференции по программе "Экополис". М.: изд-во РАМН, 2000.