Методологические вопросы наук о биосфере

Мы живем в такое время, когда вопрос об отношения общества и природы, а также проблема преобразования и организации природы становятся очень актуальными. В основном это обусловлено двумя, в настоящий момент хорошо просматриваемыми явлениями.

1. Современные возможности техники и масштаб хозяйственной деятельности общества настолько велики, что становятся могучей силой, влияющей на состояние природы. Количество энергии, которым располагает человечество, сравнимо с количеством всей энергии, циркулирующей в атмосфере, гидросфере и биосфере. Поэтому наступило время, когда общество должно контролировать свое воздействие на природу. Отсутствие надлежащего контроля может привести к таким повреждениям природы, которые будут опасными для существования общества.

2. В предвидимом будущем численность народонаселения возрастет настолько, что неизбежно потребуется усовершенствование природы как среды существования человека и как источника материальных и энергетических ресурсов.

Преобразование природы — это прежде всего преобразование биосферы, ее физических полей и ее живого вещества.

В самом деле, жизнь и деятельность человеческого общества в основном сосредоточены в биосфере, т. е. в той части нашей планеты, которая насыщена живым веществом и где существенно проявляется его влияние на развитие физических и химических процессов. Биосфера— источник веществ и сырья, необходимых для многих отраслей промышленности. Кроме того, биосфера — основной канал поступления превратимся энергии из природы в общество. Только энергия, накопленная и переработанная живым веществом биосферы, доступна организму человека.

Потребляя энергию, накопленную живым веществом биосферы, человек усиливает поток этой энергии из биосферы в общество, используя для этого технику и технические источники энергии. Своей хозяйственной деятельностью человек увеличивает накопление энергии в живом веществе биосферы, ускоряет и усиливает переход биотической энергии из биосферы в общество. При дальнейшем развитии мощности технических источников энергии человеку откроются более широкие возможности использовать биосферу как преобразователь энергии технического происхождения в энергию биотическую, т. е. в химическую энергию органических соединений, воспринимаемую организмом человека. Таким образом, технические источники энергии помогают человеку увеличивать выход энергии из биосферы, но не отменяют потребности человека в энергии биотического происхождения и не устраняют зависимости человека от биосферы.

Кроме того, в будущем неизбежно произойдет вмешательство человека в процесс развития живого вещества на Земле, путем создания новых видов организмов с запланированными свойствами и заселения этими организмами поверхности планеты. Новые организмы или новые сочетания организмов потребуют для себя и новых условий существования. Эти условия в значительной степени будут создаваться и поддерживаться путем периодического или постоянного технического воздействия на физическое состояние и химические свойства природной среды. Изменение параметров физико-географической среды и хода геофизических явлений можно осуществлять путем создания искусственных водоемов, обводнения пустынь, осушения обширных заболоченных территорий, устранения или ослабления вечной мерзлоты, укрепления почв и увеличения их плодородия, увеличения продуктивности лесов, особенно в северных районах, изменения направления или гидрологического режима рек, изменения и перераспределения притока солнечной энергии в биосферу и регулирования выпадающих на почву атмосферных осадков.

Наконец, физико-географическую среду можно изменять, включая в ее состав принципиально новые элементы— технические устройства: плотины, мощные станции по перекачке воды, подземные отопительные устройства для обогревания почвы (возможно, путем использования теплового потока из недр Земли), искусственные источники света для воздействия на леса или другие типы растительного покрова.

В предвидимом будущем наступит время, тогда природа и воздействующие на нее технические устройства сольются в единую цельную систему. Начав с преобразования биосферы, человек вынужден будет в конце концов создать принципиально новую биосферу, состоящую из физической среды, населяющих ее организмов и включенных в биосферу технических устройств, контролирующих физическую среду биосферы и в значительной степени ее создающих.

В области наук, изучающих биосферу, в настоящее время сложилась обстановка, необычайно благоприятная для эффективных методологических исследований. Состояние самих наук о биосфере, осознанность будущих практических задач, хорошая просматриваемость связей наук о биосфере с другими науками и бурный рост новых отраслей знания, способных оказать самую существенную помощь наукам о биосфере, — все это открывает возможность методологических исследований, предваряющих, а в некоторой степени даже и направляющих будущее развитие конкретных естественнонаучных исследований.

Такая обстановка в науке складывается довольно редко и должна быть использована.

В последние годы довольно много было сделано для методологического осознания взаимодействия наук при изучении Земли. Полученные при этом выводы осветили и некоторые стороны проблемы преобразования природы. Но это только вступительный этап. Проблема взаимодействия наук при изучении биосферы и при поисках путей ее преобразования обладает собственной спецификой и много сложнее проблемы взаимодействия наук при изучении Земли, хотя она и связана с ней.

Задумываясь о роли отдельных наук и их взаимодействии при изучении биосферы, необходимо прежде всего иметь в виду следующее: от изучения биосферы такой, какая она есть, предстоит перейти к проектированию новой, необходимой человеку, более совершенной биосферы. Для такого проектирования необходимо предвидеть последствия воздействий, а следовательно, знать не только законы развития существующей, но и предвидеть законы развития еще не созданной, а только запроектированной биосферы. Не располагая средствами решения такой задачи, нельзя даже приступать к сколько-нибудь существенному преобразованию природы.

Исходя из этого общего положения, мы можем наметить основные методологические проблемы, существенные для развития наук, изучающих те или другие стороны биосферы. Начнем с наук, изучающих физические среды биосферы, и прежде всего обратимся к геофизике.

Многие физические и химические закономерности и связи являются универсальными, или инвариантными, в том смысле, что их существование не зависит от того, в какой материальной системе они происходят. Такие связи характеризуют природу явления как такового. Общие законы физики и химии как раз и отображают или выражают подобные инвариантные связи. Где бы ни происходило образование воды из кислорода и водорода, всегда на один атом кислорода приходится два атома ‘водорода; где бы ни происходило превращение механической энергии в тепловую, выполняется закон Джоуля.

Однако отмеченные связи не исчерпывают всех связей, существующих в материальном мире. Многие из них обусловлены не столько природой явления, сколько устройством и взаимодействием частей той материальной системы, в которой эти явления происходят. Так, например, легко построить прибор — сигнализатор температуры, в котором вспыхивает красная лампочка всякий раз, когда температура среды превышает 20°С. В этом случае осуществляется связь между температурой среды и генерацией красного света; однако эта связь не является законом физики, а обусловлена устройством прибора.

Подобные связи уместно назвать организационными или системными. Наряду с механическими, физическими и химическими связями в машинах и объектах природы часто встречаются такие специфические связи (например, прямая и обратная связь в динамических системах). Изучению системных связей в настоящее время, в связи с развитием кибернетики, уделяется очень большое внимание.

Общие законы природы универсальны, а конкретные материальные системы обладают индивидуальными свойствами, которые и составляют их специфику. Некоторая часть явлений, протекающих в любой материальной системе, подчинена этой специфике, обусловлена устройством системы и взаимодействием ее частей.

Поэтому всякая материальная система своим устройством и внутренними связями накладывает определенные ограничения на проявления законов природы и порождает дополнительные связи между явлениями, которые не вытекают из общих законов природы, но и не противоречат этим законам. Специфика науки о любом конкретном объекте как раз и заключается в исследовании подобных системных связей, определяемых устройством этого объекта.

Обращаясь, например, к геофизике, мы должны сказать, что главное в этой науке заключается не в том, что в ней физика и ее общие законы применяются к изучению явлений на поверхности Земли и в ее недрах, а в изучении системных связей между геофизическими явлениями. Это одинаково применимо и к относительно автономным частям физико-географической оболочки, и к земному шару в целом.

Мы знаем, что если мы изменим устройство природы на какой-либо территории, например посадим лес, осушим болота, создадим искусственные водоемы или горные сооружения, изменим облачность или количество выпадающих из атмосферы осадков, изменим снегоотложение или ускорим весеннее таяние снега и т. п., то ход геофизических процессов и состояние физико-географической среды существенно изменятся. Однако эти изменения никак нельзя объяснить изменением физических, химических, биологических и других законов природы. Эти законы и после описанных выше предполагаемых вмешательств в природу останутся прежними. Тем не менее изменения произойдут; они обусловлены тем, что иными станут системные связи явлений, зависящие от устройства той материальной среды, в которой происходят эти явления.

Точно так же, если существенно изменить распределение океанов и суши на Земле, то физические законы, управляющие геофизическими явлениями на поверхности Земли, останутся прежними. В то же время циркуляция атмосферы, деловитость полярных океанов, морские течения, распределение и циркуляция тепла в атмосфере, планетарный влагооборот и т. п. — значительно изменятся. Возникнут новые связи, обусловленные новым устройством поверхности Земли, а не изменением физических законов.

Для планеты в целом также существуют определенные системные связи, обусловленные ее расчлененностью на концентрические геосферы, состоящие из твердых веществ, воды и атмосферных газов. В изучении системных связей между физическими процессами в оболочках Земли и заключается специфика геофизики и ее несводимость к одной только физике и ее законам.

В то же время необходимо подчеркнуть, что изучение системных связей является слабым местом в современной геофизике. Многие крупные геофизики не задумываются над значением этих связей для геофизики и не имеют о них представления. Недостаточность знаний в этой области лишает нас способности предвидеть возможные изменения климата и хода геофизических явлений при сколько-нибудь значительных искусственных воздействиях на гидрометеорологические процессы или при искусственном преобразовании физико-географической среды.

Усиление исследовательской работы в этом направлении совершенно необходимо для решения задач преобразования природы. В самом деле, стремясь к преобразованию природы, мы не можем рассчитывать на изменение физических и других законов, так как это невозможно. Единственный путь преобразования состоит в таком изменении устройства природы, при котором возникнут новые, нужные нам связи между явлениями, происходящими в ней. Очевидно, что научное рассмотрение подобных вопросов потребует привлечения в геофизику и физическую географию методов современной (кибернетической) теории систем.

Мы говорили выше о том, что основная цель преобразования природы состоит в усовершенствовании и даже создании новой биосферы, обеспечивающей усиленный приток превратимой энергии биогенного происхождения из природы в общество. Но мы знаем, что биосфера представляет собой сложный комплексный объект, в котором неразделимо сплетены в единую систему физическая среда и живое ‘вещество. Развитие явлений в биосфере не определяется ни физическими законами, ни свойствами биологической формы движения материи, если их брать независимо, изолированно друг от друга. Основная специфика биосферы заключается в том, что она управляется законами взаимодействия физической и биологической форм движения материи. С одной стороны, живое вещество в существенной степени определяет микроклимат и геофизические условия на месте обитания организмов, а с другой стороны, отчетливо выражена зависимость жизнедеятельности организмов и строения биоценозов от физических условий. Именно этими взаимоотношениями обусловлена основная черта биосферы, состоящая в том, что она является саморегулирующейся системой. Замкнутые контуры взаимодействий между физической средой и живым веществом — истоки саморегулирования биосферы. Именно этими связями устанавливается в биосфере величина запаса свободной энергии и количество органического вещества. Знания, накопленные в науках биолого-географического цикла — биогеографии, геоботанике, экологии растений и животных, лесоводстве и других, — открывают широкие возможности анализа процессов саморегулирования, явлений самоорганизации, происходящих в биосфере. Однако для этого потребуется переосознать огромное количество фактических данных, добытых этими науками, с новых позиций, применяя современные представления о саморегулировании и самоорганизации. Но и после этого возможности биолого-географических наук будут недостаточны и потребуется присоединение новых отраслей знания.

Сказанное нами в первую очередь относится к явлениям саморегулирования биосферой своего запаса свободной энергии. Конечно, энергетика биосферы подчинена обычным законам термодинамики. Однако одних только этих законов недостаточно для познания энергетики биосферы и для поиска путей воздействия на протекающие в биосфере превращения энергии. Участие живого вещества в захвате, накоплении и преобразовании энергии обладает спецификой, не отображаемой полностью законами классической термодинамики. Это обусловлено тем, что энергетическая деятельность организмов в существенной части управляется теми сигналами геофизической среды, которые несут информацию о ее будущих состояниях. Иначе говоря, через живое вещество в биосфере осуществлено своеобразное взаимодействие энергии и информации, благодаря которому биосфера накапливает в живом веществе свободную энергию и обогащает этой энергией почвы, природные воды и атмосферу.

Отсюда становится ясным, что для решения обсуждаемых нами задач необходимо привлечь термодинамику нестационарных и необратимых процессов, надлежащим образом дополненную современной теорией информации. Кроме того, потребуется современная теория систем, общая теория регулирования, теория самоорганизующихся систем и другие научные направления кибернетического профиля.

Таким образом, изучение биосферы и поиски путей ее преобразования неосуществимы только посредством взаимодействия наук о Земле и наук о живой природе, а потребуется привлечение самых новых отраслей знания.

Наконец, воздействия на биосферу должны осуществляться в целях удовлетворения определенных потребностей человеческого общества: поэтому необходимо участие и общественных наук. Очевидно, что правильное использование ресурсов земного шара и заботы о повышении производительности биосферы потребуют организации международного сотрудничества. Осознание принципиальных основ этого сотрудничества будет задачей общественных наук.

В методологических высказываниях советских географов часто встречается мысль, что география, проникнутая методами комплексного анализа природных явлений, способна осуществить тот синтез различных отраслей знания, который необходим для изучения биосферы в целом и для научного поиска путей ее преобразования. Однако в действительности это далеко не так. Как бы ни было велико значение идей Докучаева, Воейкова, Вернадского и других классиков широкого мышления о природе, в наше время этих идей далеко не достаточно и требуется их серьезное развитие в принципиально новых направлениях. Свойственное географии комплексное мышление о биосфере и географической оболочке необходимо дополнить современными представлениями, и прежде всего энергетико-кибернетическим подходом. Но пока географы не располагают кадрами, необходимыми для выполнения этой работы. Конечно, в близком будущем в науку придут исследователи, способные использовать данные и методы наук о Земле, методы современной биофизики и новых ветвей биологии, принципы термодинамики и кибернетические представления, необходимые для изучения биосферы. Что же касается методологического осознания предстоящего взаимодействия наук при изучении биосферы и при поиске научного подхода к ее организации, то разработка этих проблем возможна уже в настоящее время и эту работу не следует откладывать.