25 Июл

ОХРАНА СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ – ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Угроза глобального экологического кризиса в настоящее время является реальной как никогда в связи с беспредельным нарастанием несоответствия ограниченных возможностей биосферы нашей планеты претензиям землян использовать ее и разрушать как целостную систему. Определение предела возможности биосферы выдержать антропогенные нагрузки, предела, позволяющего предупредить полный разлад сбалансированных процессов в биосфере, является приоритетной задачей науки настоящего времени [2, 10]. Обострение экологических проблем, связано как с заселени­ем доступных для проживания территорий, так и с интенсивным развитием промышленного и сельскохозяйственного производст­ва. Статистика пока­зывает, что в 1920 г. Землю населяло 1862 млн. человек, в 1940 г. — 2295 млн. в 1960 г. — 3049 млн. в 1980 г. — 4415 млн. человек. В 1987 г. человечество перешагнуло 5-миллиардный рубеж численности. Уже к 2000 г. число людей превысило 6 млрд. человек, и демографы предполагают, что к 2025 г. человечество перешагнет 8-миллиардный рубеж. Непрекращающийся процесс увеличения числа живущих на земле людей, по мнению большин­ства ученых, исследующих эту проблему, наряду с увеличением промышленного производства и потребления разнообразных при­родных ресурсов, а также с ростом количества отходов «жизнедея­тельности» цивилизации поставит в ближайшие 100 лет вопрос о выживании человечества в целом [11].

Об этой проблеме с большой тревогой пишет философ академик В.С.Стёпин: «Самой  острой  проблемой  современности,  становится нарастание  экологического  кризиса  в  глобальных  масштабах.  Два  аспекта человеческого  существования  как  части  природы  и  как  деятельного  существа, преобразующего природу, приходят в конфликтное столкновение. Старая  парадигма,  будто  природа — бесконечный  резервуар  ресурсов  для человеческой  деятельности,  оказалась  неверной.  Человек  сформировался  в  рамках биосферы — особой  системы,  возникшей  в  ходе  космической  эволюции.  Она представляет  собой  не  просто  окружающую  среду,  которую  можно  рассматривать как  поле  для  преобразующей  деятельности  человека,  а  выступает  единым целостным  организмом,  в  который  включено  человечество  в  качестве специфической подсистемы. Деятельность человека вносит постоянные изменения в динамику  биосферы  и  на  современном  этапе  развития  техногенной  цивилизации масштабы  человеческой  экспансии в  природу  таковы,  что они  начинают  разрушать биосферу  как  целостную  экосистему. Грозящая  экологическая  катастрофа  требует выработки  принципиально  новых  стратегий  научно-технического  и  социального развития  человечества,  стратегий  деятельности,  обеспечивающей  коэволюцию человека и природы»[12].

«Природные катастрофы происходят в мире в четыре раза чаще чем 30 лет назад, а экономический ущерб от их разрушений вырос семикратно» заявил 03 июня 2008 года директор аналитического отдела Департамента экономических и социальных проблем ООН Роб Вос (Rob, Vos ). За последние 48 лет было зарегистрировано более семи тысяч стихийных бедствий, в результате которых погибло, по крайней мере, 2,5 миллиона человек. Последствия катастроф становятся все более разрушительными, а сами страны не в состоянии их преодолеть без помощи международного  сообщества. Существующие, в том числе и под эгидой ООН, гуманитарные проекты в большей степени направлены на преодоление последствий разрушений, нежели на их предотвращение и стратегическое управление рисками. Всего 2% всех фондов катастроф направлено на предотвращение разрушительных последствий стихийных бедствий. В то же время, по данным экспертов США, каждый миллион долларов, вложенный в предотвращение риска и смягчение последствий катастроф, даёт семикратную отдачу. По подсчетам отечественных исследователей «Затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к природным событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по сравнению с предотвращенным ущербом» [9].

Что же мешает работе по предотвращению многих экологических катастроф? Если материальная поддержка ученых может дать (и уже дает) большие выгоды, то почему этот бизнес не востребован, не работает должным образом? Ответ очевиден. Старая научная парадигма, рассматривающая биосферу как «механизм», поддающийся простому моделированию, не способна  решать актуальные экологические проблемы [2, 3, 8]. Создается опасная тенденция роста числа работников, обслуживающих «чрезвычайные ситуации», которые имеют заинтересованность в такой работе. Известный эколог, философ, общественный деятель Эрвин Ласло пишет: «Как показывают последние измерения, мы уже превысили предел способности природы к самовосстановлению. Если отсталость доминирующего ныне сознания есть основная причина угрозы миру и выживанию человека, то эволюция этого сознания есть действенный способ преодоления такой угрозы. Холистическая парадигма в науке утверждает лишенную примитивизма сложность в противовес механистическим воззрениям. Холистическое понимание – передний край современной науки….» [7].

Необходимо осознать, что причина возникновения глобальных экологических проблем не столько в количестве населяющих Землю людей, сколько в их отношении к Природе. В настоящее время незнание законов природы освобождает чиновников от ответственности при принятии судьбоносных решений. Однако глобальные экологические проблемы могут успешно решаться только при условии знания основных законов динамики элементного состава биосферы Земли и обязательного их соблюдения [3, 6, 8]. Поэтому особенно актуально в настоящее время обладать действительным, неупрощенным знанием законов жизни сложных природных систем, которое недопустимо подменять искусственными модельными представлениями.

Решение глобальных биогеохимических проблем потребовало применения совершенно новых  междисциплинарных методологических принципов [5, 6, 8]. Биосфера, как всякая сложная система, обладает эмерджентностью, т.е. собственными закономерностями эволюции, которые нельзя свести к изменениям, вызванным эволюцией той или иной таксономической группы. Источником развития биосферы выступают взаимодействия между всем живым и косным веществом в поверхностной оболочке Земли. Органический мир в целом, а не отдельные группы растений и животных, определяет основные параметры биосферы. Поэтому для оценки общих результатов взаимодействия между живым и косным веществом биосферы необходимы не частные, а интегральные характеристики [3, 6].

В результате анализа огромного эмпирического материала и большого количества гипотез и теорий И.И.Шмальгаузен пришел к выводу, что биологическая «эволюция шла в общем под знаком освобождения развивающегося организма из-под власти случайных явлений во внешней среде»[13]. Для того чтобы уменьшать власть «случайных явлений во внешней среде» и реально приближаться к благоприятному, устойчивому развитию жизни, необходимо знать законы динамики элементного состава биосферы как целостной системы, а результаты деятельности всего человеческого сообщества должны безусловно соответствовать этим законам. В противном случае человечество неотвратимо будет умножать количество и масштабы природных катастроф.

Бич всех научных направлений, занимающихся изучением сложных систем, состоящих из большого числа взаимодействующих деталей, — обилие информации, которую требуется перерабатывать для получения детального описания системы. Чтобы уменьшить объем информации до сколько-нибудь приемлемых размеров, прибегают к так называемому «сжатию информации», как правило, сопровождающемуся ее частичной потерей. Например, вместо отслеживания траекторий частиц газа в кинетической теории газов переходят к усредненным характеристикам, например, вводят давление газа.

Синергетический подход осуществляет сжатие информации без каких-либо ее потерь — путем перехода от переменных или параметров состояния к параметрам порядка на основе принципа подчинения, причем параметры порядка в свою очередь являются функциями параметров состояния (принцип круговой причинности). Параметры порядка играют доминирующую роль в концепции синергетики. Они «подчиняют» отдельные части, т.е. определяют поведение этих частей. Связь между параметрами порядка и отдельными частями системы называется принципом подчинения [5].

С определением параметров порядка практически описывается поведение системы. В нашей работе в качестве параметров порядка выбраны средние концентрации химических элементов в отдельных частях биосферы, выраженные в г-моль/л и г-моль/кг.

Ключевым моментом исследования специфики формирования элементного состава биосферы является определение закономерностей перераспределения средних концентраций элементов между различными фазами: твердой — жидкой —  газообразной (литосфера — гидросфера — атмосфера),  происходящего в результате глобального непрерывного процесса переработки косной  материи живым  веществом.

Разработанная автором системная методология, основанная на эмпирическом обобщении, позволила адекватно описать  и моделировать биосферу в целом как сложную динамическую систему  с многочисленными физическими, химическими, биологическими  и   т.п. процессами, среди которых определяющую роль играет обмен и  трансформация вещества в биогеохимических барьерах т.е. в местах  «сгущения жизни» [1, 3-6]. Стабильность этих процессов – главное условие стабильности биосферы. Представленная работа посвящена исследованию закономерностей формирования элементного состава гидросферы, составляющей  наиболее динамичную часть биосферы. Элементный состав океанской воды является результатом непрерывных процессов переработки косной материи живым веществом на биогеохимических барьерах океан-атмосфера и река-море [3 — 6].

Фундаментальное значение имеет постоянство среднего элементного состава океанской воды. Детальные исследования выявили также постоянство характера распределения концентраций отдельных химических элементов в океане. Определены три типа распределения концентраций элементов:

1)  консервативный — элементы имеют одинаковую и неизменную    во времени и пространстве концентрацию, отнесенную к общей солености; 2) биогенный — содержание элементов в поверхностных водах уменьшается вплоть до полного

исчезновения в результате процессов потребления и удаления живым веществом; 3)  литогенный — сложный характер распределения концентраций элементов, которые, попадая в океан с речным стоком и эоловым материалом, выводятся практически полностью в осадок.

Близость к единице величины коэффициента корреляции между средними элементными составами океанской и речной воды (R=0,94) указывает на закономерную связь между этими элементными составами. Также, впервые удалось обнаружить закономерную устойчивую связь между биогеохимическими и гидрологическими процессами в гидросфере (рисунок 1). Характер распределения растворенных форм элементов в океане зависит от интенсивности их поступления в океан, от скоростей их вывода из океанской воды (эти скорости различны для разных химических элементов)  и от скорости их перемешивания, которая одинакова для всех элементов.

Рисунок 1. Отношение средних концентраций растворенных форм химических элементов в океанской и речной воде и типы распределения элементов в океане:    1 — консервативный, 2 —  биогенный, 3 – литогенный.

В результате этих биохимических, химических и гидрологических процессов образуются три типа распределения элементов в океане, которые в итоге определяются через отношение их средних концентраций в океанской и речной воде:   Консервативный тип распределения в океане —  С  А(океан)  >  С  А(реки)

Биогенный тип распределения в океане —           С А(океан)   ~   С А(реки)

Литогенный тип распределения в океане —         С А(океан)    <   С А(реки)

 Системная методология, представляющая гидросферу как саморазвивающуюся динамическую систему, позволила сформулировать постулат: биогеохимическая особенность каждого элемента определяет своеобразие зависимости между его содержанием (концентрацией) и интенсивностью его миграции через барьерные зоны.

Типы распределения в океане:

1-консервативный;  2- биогенный;       3- литогенный

 

 

     Рисунок 2.  Система распределения химических элементов в гидросфере.

Графический способ представления постулата обладает наибольшей информативностью в случае, когда сопоставление интенсивности глобальных процессов переноса элементов в барьерных зонах гидросферы с их средними концентрациями в океане осуществляется на плоскости  lgСок.— lgtок. (рисунок 2). Здесь С — средние  концентрации элементов в океане и речном стоке (моль/л);         t — время пребывания элементов в океане, рассчитанное как частное от деления содержания растворенной формы  элемента в океане на величину его ежегодного поступления с речной водой в растворенной форме.

Система раскрывает взаимозависимость между тремя основными биогеохимическими характеристиками  гидросферы: 1)  средние концентрации химических элементов в океане;  2) средние концентрации в речном стоке;  3) типы их распределения в океане.

Таким образом, мы имеем возможность использовать знание двух из перечисленных параметров гидросферы для получения знания третьего параметра.  Система удовлетворяет критериям адекватности на всем множестве химических элементов и на всем интервале наблюдаемых концентраций (12 порядков). Прогностические свойства системы позволили автору с высокой точностью и надежностью предсказать прежде не исследованные (или недостаточно исследованные) природные (не искаженные антропогенным  воздействием) средние концентрации 12 химических элементов в реках, которые могут служить в качестве  экологических эталонов. Последующие независимые исследования подтвердили наши предсказания.

Система создана в рамках современных знаний о содержании элементов в океане и о процессах обмена веществом на биогеохимических барьерах океан-атмосфера и река-море. Уточнение этих знаний, а также знаний процессов обмена элементами на всех геохимических барьерах гидросферы, приведет к ее развитию и совершенствованию. Уже в настоящее время с ее помощью удалось с большой точностью предсказать величину нормальной (природной) ежегодной поставки в океан речным стоком в растворенной форме Be, C, N, Ge, Tl, Re, исправить и уточнить эту оценку для P, V, Zn, Br, I, определить характер распределения в океане W, Au и U. В дальнейшем будет возрастать ее роль как экологического эталона естественного биогеохимического состояния гидросферы.

Литература

  1. 1. Вернадский В. И., Живое вещество и биосфера.М.: Наука, 1994. 672 с.
  2. Ермаков В.В., Карпова Е.А., Корж В.Д., Остроумов С.А. Инновационные аспекты биогеохимии. М.: “ГЕОХИ”, 2012. 340 с.
  3. КоржВ.Д. Геохимия элементного состава гидросферы. М.: Наука, 1991. 243 с.
  4. Корж В.Д. Биогеохимические аспекты формирования элементного состава вод Мирового океана // Труды Биогеохимической лаборатории Т. 23. Москва: Наука, 1999. С. 6-37.
  5. Корж В.Д. В.И.Вернадский и проблема эволюции элементного состава биосферы (синергетический подход)//В.И. Вернадский и современность. М.: «Ноосфера», 2003. С. 121-133.
  6. 6. Корж В.Д. Использование методологии эмпирического обобщения для решения глобальных экологических проблем гидросферы// Проблемы биогеохимии и геохимической экологии, 2012. № 1 (18). С. 3-13.
  7. 7. Ласло Э. Макросдвиг. К устойчивости мира курсом перемен. М.: Тайдекс Ко. 2004. 206 с.
  8. Лебедев В.Л., Айзатулин Т.А., Хайлов К.М. Океан как динамическая система. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 200 с.
  9. Мазур И.И., Иванов О.П. Опасные природные процессы. М.: Экономика, 2004. 702 с.
  10. Моисеев Н.Н. «Заслон средневековью» М.: «Тайдекс Ко», 2003. 312 с.
  11. Ситаров В. А., Пустовойтов В. В. Социальная экология: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2000.  280 с.
  12. 12. Стёпин В.С. Теоретическое знание. М: Прогресс-Традиция, 744с.
  13. Шмальгаузен И.И. Факторы эволюции М.: Наука, 1968. 451 с.
    ОХРАНА СЛОЖНЫХ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ – ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ
    Written by: Корж Вячеслав Дмитриевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/24/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)
    Available in: Ebook