Биомасса и биопродуктивность биосферы

	Биомасса растений, 109т	Биомасса животных, 109т	Общая чистая первичная продукция, 109 т/год	Продукция животных (вторичная), 109 т/год
Материковые экосистемы		1,0		0,9
Морские экосистемы	3,9	1,0		3,0
Биосфера		2,0		3,9

Для получения чистой первичной продукции 170 х 10⁹ тонн в год на фотосинтез затрачивается мощность излучения Солнца около 100 ТВт (Т [тера] = 10¹²). Следовательно, на производство 1 кг продукции в течение года используется мощность излучения 0,6 Вт.

Особую роль в обеспечении устойчивости функционирования биосферы играет биологическое разнообразие – множественность живой природы, характерная для различных периодов жизни на Земле.

Быстропротекающий, стихийный рост экономики и населения мира, достигший к концу XX века опасных значений, приводит к деградации экосистем биосферы и нарушению ее функционирования. Возмущения биосферы человеком (рост экономики и населения мира) и деформация ее характеристик и экосистем показаны в таблице 2.13.

Таблица 2.13

Обобщенная динамика мира

Характеристики (параметры)	Годовой темп изменения характеристик (параметров), % в год
Рост энергопотребления, отражающий рост экономики	2,0 (1985-1990)
Рост населения	1,74(1985-1990)
Изменение климата – глобальное потепление	0,6°С за последнее столетие, что на порядок выше предшествующих столетий
Истощение озонового слоя	1,0-2,0
Уменьшение биоразнообразия	0,65
Опустынивание (увеличение площади пустынь)	0,3-0,5
Увеличение площади деградированной почвы	0,4
Сведение (обезлесивание) тропических лесов	0,9

За кажущимися малыми значениями темпа изменения характеристик кроется взрывное в историческом масштабе времени разрушение биосферы, Так, при темпе уменьшения биоразнообразия 0,65% в год в течение следующей четверти столетия, т.е. за одно человеческое поколение, оно уменьшится на 15%. При темпе же сведения тропических лесов 0,9% в год через 75 лет останется лишь половина тропических лесов. Нынешние темпы возмущения непосильны для биосферы. Человечеству предстоит труднейшая задача остановить этот опасный процесс разрушения биосферы. Она может быть разрешена лишь при переходе к принципиально новому управляемому мироустройству.

10. Основные сведения по ресурсной модели мира: описание модели, поведение параметров состояния мира в ХХ – XXI вв.Антропогенный предел Земли в данной модели.

Группа ученых – Донелла и Деннис Медоузы (США), Йорген Рандерс (Норвегия) и другие – исследовала поведение мировой системы на временном интервале XX–XXI столетий путем математического, компьютерного моделирования. Исследовалось поведение пяти параметров мировой системы в численном виде: численность населения, объем промышленного производства, объем производства продуктов питания, ресурсы, уровень загрязнения окружающей среды. Результаты исследования были опубликованы в 1972 г. (книга "Пределы роста" на русском языке вышла в 1991 г.), а результаты повторного исследования – в 1992 г. (книга "За пределами роста" в русском переводе увидела свет в 1994 г.).

Уже первая книга "Пределы роста", прокатившаяся по планете на 35 языках мира, вызвала сенсацию и имела необыкновенный успех. Сами авторы пишут: "Нашу книгу обсуждали в парламентах и научных обществах. Одна крупная нефтяная компания выделила средства на серию критических публикаций, другая учредила ежегодную премию за лучшее исследование в этой области. "Пределы роста" вызвали несколько восторженных отзывов, множество аналитических обзоров и шквал нападок справа, слева и даже со стороны центристов. Книга была воспринята многими как предсказание скорого конца света, но она вовсе не является подобного рода пророчеством. Она не о будущем, которое предопределено, а о выборе этого будущего. В ней безусловно содержалось предупреждение, но была и надежда..."

Для исследования мира, или мировой системы, авторы разработали компьютерную модель "Мир 3", результаты исследования на которой вошли в книгу "Пределы роста". На основе анализа развития мира в 1970–1990 гг. потребовалась лишь незначительная корректировка модели, новая версия которой получила название "Мир 3/91". Результаты, полученные на ней, лишь незначительно отличаются от результатов, полученных двадцать лет ранее.

Компьютерная модель – это упрощенное отражение, представление реального мира в виде соответствующих ему элементов и связей между ними.

В модели прослеживается поведение таких элементов системы, как "население", "промышленный капитал", "загрязнение", "пахотные земли". Эти элементы претерпевают изменения в результате движения от исходных точек к конечным, таким, как "рождение" и "смерть" в случае населения, "инвестиции" и "амортизация" в случае капитала, "производство" и "ассимиляция" в случае загрязнений. Все элементы взаимосвязаны. Например, количество продовольствия на душу населения влияет на уровень смертности. Сами по себе элементы модели достаточно просты, но поведение объединенных элементов динамически сложно.

Исследуемые пять параметров мира (численность населения, объем промышленного производства, объем производства продуктов питания, ресурсы, уровень загрязнения окружающей среды) являются усредненными. В населении нет различия между китайцами и французами, бедными и богатыми. Мировое промышленное производство охватывает все виды производства. Подобным образом усреднены три других параметра.

Важным в модели являются: процессы роста населения и экономики (они рассмотрены в разделе 2.1), пределы, запаздывания и процессы разрушения.

Модель содержит четыре типа пределов. Предельная площадь возделываемых земель – 32 млн км2 (площадь суши без Антарктиды – 131,3 млн км2). Предельная продуктивность земель – 65 центнер/га. Невозобновимых ресурсов (минеральное сырье, ископаемое топливо) хватит не менее чем на 200 лет, если их добыча сохранится на уровне 1990 г. Способность земли поглощать загрязнения такова, что в случае десятикратного повышения уровня загрязнения, зарегистрированного в 1990 г., продолжительность жизни людей уменьшится только на 3%, а плодородие почвы – на 30%. Затраты на освоение новых земель, повышение урожайности культур, поиск и эксплуатацию месторождений невозобновимых ресурсов в движении к пределам будут возрастать.

В модели для многих процессов введено запаздывание по времени. Приведем лишь один пример – запаздывание в изменении численности населения, обусловленное возрастной структурой населения. В современном обществе число молодых людей значительно превышает число пожилых. Поэтому, если даже рождаемость падает, численность населения десятилетиями продолжает расти, по мере того как молодые люди достигают фертильного возраста. Хотя число детей в семьях уменьшается, количество семей растет.

Приведем пример расчетного контура процесса разрушения. Если существует нехватка продуктов питания, люди могут использовать землю гораздо интенсивнее, чтобы за короткое время произвести больше продукции в ущерб долгосрочным программам сохранения почвы. В результате плодородие почвы уменьшается, и это приводит к дальнейшему уменьшению количества продуктов питания.

Некоторые общие сведения по модели "Мир 3/91". Суммарное число взаимодействующих переменных составляет 225. При расчете какого-либо сценария состояния мира компьютер вычисляет значение каждой переменной через каждое полугодие рассматриваемого периода 1900–2100 гг. Таким образом, модель дает более 90 тысяч значений для каждого сценария.

Перейдем к результатам исследования мира. На рис. 3.2 представлен Сценарий 1 состояния мира. Это "стандартный" сценарий состояния "реального" мира, мира "как он есть". Мировое сообщество развивается традиционно, развивается так, как оно развивалось на протяжении XX столетия.

По Сценарию 1 для поведения мира с 1900 по 1990 г. характерно следующее. Численность населения мира возрастает в 3,3 раза с 1.6 млрд человек до 5,3 млрд человек. Общий объем промышленного производства увеличивается в 20 раз. За этот период используется только 20% мировых запасов невозобновимых ресурсов (ископаемое топливо: нефть, уголь, газ; материалы: железо, алюминий, медь, свинец, хром, никель). Средний объем промышленного производства надушу населения, характеризующий материальный уровень жизни, в 1990 г. составляет 260 долл. в год.

Рис. 3.2. Сценарий 1: традиционный мир

Источник: Медоуз Д. X., Медвуз Д. Л., Рандерс И. За пределами роста. – М.: Пангея, 1994.

Но далее, по времени, начинается неприятное – мир постепенно подходит к пределам. С 1990 по 2020 г. объем промышленного производства возрастает на 85%, а темпы потребления невозобновимых ресурсов удваиваются. Если в 1990 г. запасов невозобновимых ресурсов хватило бы на 110 лет при темпах их потребления на уровне 1990 г., то в 2020 г. из-за стремительного, экспоненциального возрастания потребления запасов их останется лишь на 30 лет.

Вскоре после 2000 г. уровень загрязнения становится достаточно высоким, чтобы вызвать серьезное уменьшение плодородия земель. Если плодородие почв с 1970 по 2000 г. уменьшается лишь на 5%, то начиная с 2010 г. уже годовые темпы деградации земель составляют 4,5%.

В Сценарии 1 традиционного мира примерно в 2015–2020 гг. рост экономики останавливается и начинается экономический спад. Капитал (физический, а не денежный) обесценивается быстрее, чем происходит приток инвестиций. Объем промышленного производства и производства продуктов питания уменьшается. По мере уменьшения производства продуктов питания падает уровень здравоохранения, приводя к сокращению продолжительности жизни и увеличению смертности. Численность населения, достигнув в

2030 году пика примерно в 8,4 млрд человек, начинает уменьшаться. Запаздывание пика населения относительно пика объема промышленного производства и производства продуктов питания примерно на десять лет объясняется возрастной структурой населения и социальным регулированием. Интересно заметить, что в сценарии традиционного мира объем промышленного производства в 2100 г. падает до уровня 1900 г.

Модель не учитывает возможных социальных пределов, которые могут привести к трагическим последствиям (мировые войны с применением оружия массового поражения, пандемии), а потому может оказаться оптимистической.

Неконтролируемое сокращение численности населения или экономический спад, подобные описанным в Сценарии 1, вызванные выходом за устойчивые пределы, Медоузы называют коллапсом.

Из анализа Сценария 1 следует однозначный и важный вывод о том, что традиционная мировая система с ее темпами роста экономики и населения, с ее господствующим способом производства является нежизнеспособной и обреченной.

Каким же образом следует преобразовать обреченный традиционный мир в устойчивый и жизнеспособный? Один из ответов содержится в Сценарии 10, представленном на рис. 3.3 (здесь сохранен номер сценария Медоузов). В Сценарии 10 по сравнению со Сценарием 1 введен ряд значительных изменений. Принят удвоенный запас природных ресурсов. Предположительно, что после 1995 г. все семьи ограничатся двумя детьми. С этого же года принимается программа стабилизации объема промышленного производства с уровнем в 350 долл. на душу населения в год и внедряются технологии, уменьшающие выбросы загрязняющих веществ, эрозию почв и повышающие эффективность использования природных ресурсов.

В результате создается новое устойчивое общество со стабильным в XXI столетии объемом промышленной и пищевой продукции и стабильным населением. Стабильное население в 7,7 млрд человек можно принять как допустимое население мира в ресурсной модели. Модель мира Медоузов можно назвать ресурсной моделью, поскольку она рассматривает Землю как источник ресурсов.

Из своих исследований мира Д. X. и Д. Л. Медоузы делают следующие выводы:

Рис. 3.3. Сценарий 10: устойчивый мир

Источник: Медоуз Д. X., Медоуз Д. Л., Рандерс И. За пределами роста. – М.: Пангея, 1994.

Темпы использования человечеством многих важных видов ресурсов и темпы производства многих видов загрязнений уже превышают допустимые пределы. Без существенного уменьшения потоков материальных и энергетических ресурсов в ближайшие десятилетия произойдет неконтролируемое сокращение следующих душевых показателей: производства продуктов питания, потребления энергии и промышленного производства.

Это сокращение не является неизбежным. Чтобы предотвратить его, необходимы следующие изменения: во-первых, всесторонний пересмотр политики и практики, способствующих росту численности населения и уровня материального потребления; во-вторых, быстрое, резкое повышение эффективности использования материальных ресурсов.

Технологически и экономически создание устойчивого общества пока еще возможно. Оно может оказаться гораздо более приемлемым по сравнению с обществом, решающим все проблемы за счет постоянного количественного роста. Переход к устойчивому обществу требует тщательно сбалансированных дальних и ближних целей и акцента на достаточности, равенстве и качестве жизни, а не на объеме производства. Он требует большего, чем продуктивность, и большего, чем технология, он требует еще и зрелости, сострадания, мудрости.

Эти выводы представляют собой предостережение, а не зловещее предсказание. Они предлагают выбрать жизнь, а не смертный приговор.

И последняя мысль Д. X. и Д. Л. Медоузов. Наши идеи ведут к новому миру. Устойчивость, а не все более совершенное оружие или борьба за власть и материальные блага – вот последний вызов энергии и творческим способностям рода человеческого.

11. Биосферная модель мира. Антропогенный предел Земли даваемый этой моделью.

Вначале из Хаоса выделилась Гея, олицетворявшая Землю. Гея породила Урана – небо, Понта – море и Ор, богинь, ведавших сменой времен года и порядком в природе.

Именем Геи британский химик Джеймс Лавлок и американский биолог Линн Маргулис назвали свою идею-гипотезу, согласно которой биота Земли управляет окружающей средой, обеспечивая оптимальные условия для своего существования и развития. Под биотой понимают флору и фауну (растительный и животный мир). Под окружающей средой – вещества и организмы биоты, с которыми взаимодействует конкретный живой организм например, человек.

Какие же раздумья привели к гипотезе Гея? Окружающая среда всегда подвергалась внешним воздействиям: вулканы, пожары, оползни, лавины, метеориты. Эти возмущения приводили к изменению рельефа поверхности Земли, ее температурного режима и газового состава атмосферы. Названные процессы могут в неживой природе в два раза изменить концентрации многих важнейших для жизни веществ, например двуокиси углерода, в океане, атмосфере и почве за время около 100 тысяч лет. Поэтому за сотни миллионов лет существования жизни на Земле концентрация многих важнейших для жизни веществ в окружающей среде должна была бы измениться на несколько порядков, т.е. настолько, чтобы жизнь стала невозможной. Почему же этого не произошло?

Оказывается, деятельность живых организмов способна изменять природную среду значительно быстрее. Один только синтез органических веществ растениями или только их разложение бактериями, грибами и животными может изменить важнейшие компоненты окружающей среды в те же два раза за время одного десятка лет. В десять тысяч раз быстрее, чем в отсутствие жизни! Следовательно, сама естественная биота Земли может осуществлять значительные изменения окружающей среды и компенсировать любые ее возмущения. С этими мыслями и родилась гипотеза Гея.

Закономерности функционирования естественной биоты и человека, включая биотическое регулирование окружающей среды, составили предмет исследования нашего соотечественника доктора физико-математических наук Виктора Горшкова. В большой серии его работ в 1995 г. увидела свет его фундаментальная монография "Физические и биологические основы устойчивости жизни". В. Г. Горшков ответил на основополагающий вопрос: до какой степени возмущения биосферы биота еще способна компенсировать возмущения и стабилизировать окружающую среду. Этот раздел излагается по В. Г. Горшкову.

Воздействие биоты на окружающую среду осуществляется через синтез органического вещества из неорганического и разложение органического вещества на неорганические составляющие, которые сопровождаются изменением соотношения между запасами органического и неорганического вещества в биосфере. Скорость синтеза органических веществ определяет продукцию, а скорость их разложения – деструкцию. Так как органические вещества, входящие в состав живых организмов, имеют относительно постоянное содержание химических элементов, то обычно продукцию и деструкцию измеряют в единицах массы органического углерода, синтезируемого и разлагаемого в единицу времени. Углерод является самым распространенным элементом в живой природе.

Фотосинтез органического вещества из углекислого газа и воды происходит при поглощении световой энергии – световых квантов hv с выделением кислорода:

СО2 + Н2О + hv - С(Н2О) + О2.

Годовая продукция органического углерода составляет 100 Гт/г и достигается при потребляемой от Солнца мощности 100 ТВт (Г [гига] = 109; Т [тера] = 1012). Продукцию биоты можно выразить в энергетических единицах: в этом случае мощность биоты составит 100 ТВт. Отсюда следует, что на получение в течение года 1 килограмма органического углерода затрачивается мощность от Солнца 1 Вт.

На рис. 3.4 показаны запасы углерода и годовые потоки углерода в биосфере. Потоки синтеза и разложения равны и составляют 100 Гт/г.

Неорганический углерод, в основном, в виде СО2, поступает в биосферу из недр. Величина чистого геофизического потока равна 0,01 Гт/г.

Рис. 3.4. Годовые потоки углерода (Гт/г) и запасы углерода (Гт) в биосфере. Потоки и запасы органического углерода помечены буквой "О", неорганического – не помечены

Источник: Горшков В. Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. - М.: ВИНИТИ, 1995.

Поступающий углерод должен бы накапливаться в биосфере. Если бы он накапливался, например, в течение одного миллиарда лет, то его масса составила бы 107 Гт (произведение 0,01 Гт/г × 1109г) и на четыре порядка превысила бы запас неорганического углерода в биосфере (103 Гт). Атмосфера Земли стала бы углекислой, подобной атмосфере Венеры. Но этого не случилось. Следовательно, существует компенсационный процесс. Им является формирование биотой потока органического углерода в земные недра, полностью компенсирующего чистый геофизический приток неорганического углерода из недр.

Рис. 3.4 содержит и другую информацию. Выбывший из биологического круговорота и захороненный в осадочных породах органический углерод составляет 107 Гт. Ископаемое топливо (уголь, нефть, газ) сосредоточено в месторождениях; его запасы (104Гт) составляют тысячную часть общего органического углерода осадочных пород. Кислород О2, освобождаемый при синтезе, накапливается в окружающей среде биосферы и не захоранивается в осадочных породах. Запас кислорода составляет 10⁶ Гт.

В. Г. Горшков показал, что только строго определенный набор видов организмов, образующих жестко скоррелированные, согласованные сообщества, способен обеспечить замкнутость биохимического круговорота веществ, компенсировать внешние возмущения окружающей среды и стабилизировать ее. Формирование сообществ связано исключительно с необходимостью замыкания круговорота веществ и стабилизации окружающей среды.

Итак, биосфера служит для человека не только источником ресурсов и приемником отходов его жизнедеятельности, но и фундаментом самой жизни, в которой биота обеспечивает стабильность окружающей среды с целью поддержания оптимальных условий для своего существования.

Биотическая регуляция окружающей среды возможна лишь при антропогенных возмущениях, не превышающих определенный пороговый уровень. Величина этого порогового уровня может быть определена на основе анализа экспериментальных результатов, относящихся к двум процессам: круговороту углерода и потреблению биологической продукции крупными животными в естественных сообществах.

В. Г. Горшков нашел, что биота способна регулировать и стабилизировать окружающую среду, если величина потребления человеком первичной биологической продукции не превышает примерно 1% от всей продукции биосферы, т.е. если мощность биопотребления не превышает 1 ТВт. Остальная мощность биоты (99%, или 99 ТВт) выполняет важнейшую и уникальную функцию стабилизации окружающей среды.

Эта величина допустимого биопотребления соответствует допустимому населению Земли около 1 млрд человек.