Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 14 КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
НА БИОСФЕРНОМ УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
14.1. Биосферный уровень организации жизни. Основы учения В.И.Вернадского о биосфере

Биосферный уровень — высшая форма организации жизни на Земле. На этом уровне происходит объединение всех круговоротов веществ и превращения энергии в единый круговорот. Живое организовано по типу иерархичных систем: переход с одного уровня на другой связан с сохранением функциональных механизмов, действовавших на предыдущем уровне, и с появлением новых структур и функций, новых качеств. Уровень представлен биосферой — областью активной жизни. Она охватывает аэросферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (гидросферу), террабиосферу (поверхность суши) и литобиосферу (верхнюю часть литосферы). Биосфера — достаточно тонкий слой: микробная жизнь распространена до высот 22 км над поверхностью, а в океанах наличие жизни обнаружено на глубинах до 10— 11 км ниже уровня моря. В земную кору жизнь проникает меньше, микроорганизмы найдены при бурении до глубин 2 — 3 км. Случайно живая материя попадает и в слои, лежащие рядом «над» и «под», их называют пара-и метабиосферой соответственно. Но «пленка жизни» покрывает всю Землю, даже в пустынях и льдах обнаружены следы живого. Распределение жизни крайне неравномерно. В почве (верхние слои литосферы), гидросфере и нижних слоях атмосферы — самое большое количество живого вещества.
Разработка учения о биосфере имеет свою историю. Одним из первых естествоиспытателей, смотревших на Землю как на целое, был М.В.Ломоносов. Он писал в работе «О слоях земных», что «чернозем не первообразная и не первозданная материя, но произошел от согнития животных и растущих тел со временем», что бурый уголь, каменный уголь и чернозем — результаты влияния организмов на грунт. Ломоносов дал общий очерк геологии Земли, доказывал ее древность как планеты. В то время даже окаменелости — ископаемые остатки организмов — далеко не всеми воспринимались как следы некогда бывшей жизни. В 1802 г. Ламарк в «Гидрогеологии» указывал на роль живых организмов в геологических процессах. В книге А. Гумбольдта «Космос» собрано много материала о влиянии живого на геологические структуры.
Зарождение отечественной агрохимии связано с Д.И.Менделеевым. Он исследовал проблемы питания растений и повышения урожайности
557

сельскохозяйственных культур. Эффективностью минеральных и органических удобрений занимались А.Н.Энгельгардт и Д.Н.Прянишников. Возникшая в начале XX в. геохимия исходила из принципов эволюции. Почвенным лесообразованием занимался В. А. Обручев, положив начало мерзлотоведению, он изучал тектонику и геологию. В.В.Докучаев своей работой «Русский чернозем» открыл почвоведение как научную дисциплину, стоящую на стыке геологии, биологии и химии. У него почва — особое природное тело, имеющее огромное значение для сельского хозяйства. Он дал первую в мире классификацию почв, изложил учение о ландшафтно-географических зонах, разработал планы борьбы с засухой, предусмотрев в них ряд агрономических и лесомелиоративных мер. Вместе с ним работали М. М. Сибирцев и П. А. Костычев. Сибирцев участвовал во многих экспедициях в южные степи России, написал первый учебник «Почвоведение» (1889). Костычев показал связь свойств почв с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов, роль человека в изменении этих связей. Он установил (1886) решающую роль низших организмов в образовании перегноя (гумуса). Немецкий ученый Г.Гельригер показал опытным путем симбиоз бобовых культур с клубеньковыми бактериями (1888), что оказалось важным в агрономии.
Русский ученый В. Р. Вильямc доказал роль биологических факторов (природных сообществ высших зеленых растений и микроорганизмов) в формировании плодородия почв. Он первым подчеркнул значение биологического круговорота элементов в формировании не только органической, но и минеральной части почв, разработал научные основы травопольной системы земледелия (1914). Докучаев, преподававший минералогию, определил жизненные интересы В. И. Вернадского еще в студенческие годы. Вернадский исследовал эволюцию минералов земной коры (1908), создал геохимическую классификацию химических элементов, разработал учение о миграции атомов в земной коре, заложил основы генетического направления в минералогии, и именно общие проблемы минералогии и геологии привели его к концепции биогеохимии (1917). «Биосфера» Вернадского дает целостную картину механизма формирования земной коры с учетом определяющего влияния жизни.
В.И.Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов — геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды и органические вещества). Хотя живое вещество по массе и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты.
558

По Вернадскому, биосфера — это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Понятие «биосфера» — фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие жизнедеятельности. Живой организм — неотъемлемая часть земной коры, могущая изменять ее. Живое вещество — совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду и в процессе жизни и после своей смерти. Потому живое вещество связывает биосферу воедино, является системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном — геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.
Если «жизненный цикл» отдельного организма конечен и его существование не беспредельно, то живое как целое можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в трех принципах, которые назвал биогеохимическими:

1. — свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;
2. — при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;
3. — заселение Земли должно быть максимально возможным в течение геологического времени.

Эти принципы выражают закон только живой природы и не противоречат законам термодинамики. Весь поток живого вещества от самых простейших до самых развитых форм, включая разум человека и общественный труд, является той формой движения материи, где действует закон убывания энтропии, тогда как она растет для неорганической материи. И эти два вида материи связаны в единое целое. Закон возрастания энтропии Вернадский успешно применял для объяснения космической эволюции Земли. А рождение биосферы рассматривал как планетарно-косми-ческую «особую точку» — качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой при-
559

роде. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь.
Вернадский считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

1. Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами — физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.
2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы — положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце — основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».
3. Космическая роль биосферы в трансформации энергии — можно рассматривать эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь все это время оставалась постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием. Источники энергии геологических явлений — космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи — радиоактивность. Живое вещество активно трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.

560

1. Растекание жизни — проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
2. Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.
3. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.
4. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора — сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого вещества. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
5. Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый слой. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 432 °С (от -252 до +180 °С) является предельным тепловым щитом.
6. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-1018 кг и 1017—1018 кг). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

10.  Всякая система достигает положения устойчивого равнове
сия, когда ее свободная энергия равняется нулю или приближает
ся к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа про
изведена. Понятие устойчивого равновесия исключительно важно.
Антропный принцип, выдвинутый Г.М.Идлисом (1958), связан с первым из перечисленных здесь принципов Вернадского и состоит в точном соответствии значений мировых констант с возможностями существования жизни. Удивительная согласованность ряда величин производит впечатление, что может существовать скрытый принцип, упорядочивающий всю Вселенную. К этому
561

факту обращались очень многие. Сейчас его формулируют в двух вариантах — слабом и сильном. Как выразился известный американский физик Дж. Дайсон: «Если мы приглядимся ко Вселенной и увидим, как много случайностей послужили нам во благо, то кажется почти, что Вселенная знала, что мы появимся». Это — одна из формулировок слабого принципа, в английской литературе — WAP. Но он не отвечает на многие вопросы, например, почему Вселенная такова, что допустила зарождение жизни. А, может, не нужно создавать теорий, которые не допускают существование наблюдателя? Сильный принцип — возникновение жизни закономерно во Вселенной, но, может, появление наблюдателя и есть цель эволюции Вселенной?
Геологическую роль живого Вернадский классифицировал по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы творят миграцию химических элементов в биосфере посредством своего дыхания, питания, обмена веществ, непрерывной сменой поколений. Биогеохимическая энергия живого является источником энергии преобразования геосфер.

14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический круговорот

Лишь небольшая часть солнечной энергии, поступающей на Землю, улавливается биосферой (рис. 14.1). Ультрафиолетовая часть спектра, составляющая около 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, почти полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в теплоту и затем излучается в космическое пространство, 20 % расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой (см. рис. 12.4). В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли усваивают эту энергию и запасают в форме Сахаров. От этого процесса зависит все существование биосферы.
Солнечная энергия преобразуется в процессах брожения и дыхания в специальных структурах клеток растений в энергию химических связей. Эта энергия высвобождается и используется живыми организмами. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н3РO4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при брожении или дыхании. При гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма, — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка (см. гл. 11 — 12).
Биотический круговорот состоит из разных круговоротов (рис. 14.2). Каждый биоценоз — модель биосферы в миниатюре. Иногда выделяют биоценотический уровень организации жизни, представлен-
562

ный биоценозами (экосистемами). Они представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды, которые сложились в ходе исторического развития. Экосистемам присуще динамическое равновесие между организмами и абиотическими факторами. Важны и исторические факторы формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое. Известный американский эколог Е. Одум предложил систему структурирования экосистем. Например, экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойных, лиственных, тропических, каждый из которых характеризуется своим круговоротом веществ. Английский ученый Ч. Элтон в 1960 г. обратил внимание на разную насыщенность жизнью различных биоценозов.
563

Переработка пищи в организмах сопровождается выделением энергии, частично запасаемой в форме химической энергии и используемой для совершения работы. Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают ее для себя, сжигая сахара и другие питательные вещества при помощи кислорода. Устанавливаются трофические уровни (рис. 14.3). В отличие от простейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей по организму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кислород и выделяет углекислый газ, в кишечнике она получает питательные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают разложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом высвобождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.
В организме постоянно совершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т.д. Для создания упорядоченных систем (высокого уровня генетической или нервной организации) тоже необходима энергия. Эффективное функционирование систем обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа состоит в выработке сигналов, регулирующих энергетические процессы, организующих биоструктуры, контролирующих расход энергии и т. п. (см. рис. 11.10). Животные не получают нужную энергию непосредственно от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или сонар — ультразвуковой локатор, иные органы) и мускульная система, приводящая в движение руки, ноги, плавники, крылья и т.д. Кроме того, у животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система.
Удовлетворение энергетических потребностей организмов происходит в рамках равновесия, которое устанавливается между различными организмами данной среды обитания (экосистемы). Среди обитателей выделяют два типа организмов: одни способны непосредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), другие зависят от остальных производителей энергии, т.е. сами не производят необходимую им пищу (гетеротрофы) (см. рис. 14.3). Все элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере, тем более что масса всего живого, когда-либо заселявшего Землю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в
564

ней. Частично энергия рассеивается при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходима постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.
Биотический круговорот органических веществ — основа биосферы. В закономерностях этого круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Мы не говорим «бесконечного», потому что все на Земле имеет конец: сама Земля представляет собой ограниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т.д. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, — писал В. Р. Вильямc в книге «Агрономия», — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество, не зеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество, и так без конца» (рис. 14.4).
Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые
566

превращают останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь на них как на фундамент.
Суммарную годовую продукцию фотосинтеза Земли в 46 • 1012 кг органического углерода оценил в 1967 г. советский физиолог А.А.Ничипорович. Для производства такого количества углерода нужно связать 170 1012 кг углекислоты и 68 • 1012 кг воды, в результате чего образуются 115 • 1012 кг сухого органического вещества и 123 • 1012 кг кислорода. При этом усваиваются 18,55 • 1020 Дж солнечной радиации. Но в процессе фотосинтеза участвуют не только вода и углекислота. Ежегодно используются около 6 • 1012 кг азота, 2 • 1012 кг фосфора и других элементов (калий, кальций, сера, железо, медь, кобальт, молибден и пр.). Большое количество воды тратится на испарение. Более точные расчеты дают в 2 раза больший прирост продукции, причем фитомасса океана, составляющая 0,01 % суммарной, дает 25,8 % всей первичной продукции Земли. Объясняется это тем, что на суше первичная продукция создается достаточно медленно растущими цветковыми растениями, а в океане — быстро размножающимся планктоном. Из сопоставления всей биомассы растений (2400 • 1012 кг) с величиной ежегодной продукции (235,5 • 1012 кг) можно сделать вывод, что ежегодно возобновляется менее 10 % биомассы (рис. 14.5).
Часть этого вещества (232,2-1012 кг) должна потребляться животными и микроорганизмами, суммарная масса которых 23 1012 кг. Растения ежегодно продуцируют органическое вещество, составляющее примерно 10 % их биомассы, а деструкторы должны перерабатывать эту массу органики, которая в 10 раз превышает их массу. Так что компоненты биотического круговорота должны быть тщательно подогнаны. В круговороте неорганики тоже наблюдаются определенные соотношения. По данным Е. Рабиновича (1951), весь кислород в атмосфере оборачивается через организмы примерно за 2000 лет, углекислота — за 300 лет, вода — за 2 млн лет.
За время существования жизни на Земле не только углекислота и кислород, но и вода успели пройти через живое вещество не одну тысячу раз. Распределение производства органики по поверхности Земли весьма неравномерно. В среднем на 1 га приходится
567

160,9 т растительной массы при годовой продукции 11,5 т (в тропиках — около 440 т, а в пустынях — около 7 т). Интенсивность кругооборота характеризуется скоростью накопления и разложения мертвого органического вещества, которое образуется при опадании листьев и отмирании организмов. Этот круговорот — основа организации жизни в планетарном масштабе, о чем говорил Вернадский.

14.3. Связи между организмами в экосистеме

Биосфера — совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания. Эту среду составляют вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Живые организмы и среда непрерывно взаимодействуют и
568

находятся в тесном единстве, образуя целостную систему. Как самая глобальная система на Земле биосфера состоит из ряда подсистем. Вернадский впервые в своих лекциях в Сорбонне в 1923 — 24 гг. указал на геологические функции живого вещества, разработал представление о совокупности всего органического мира как единого целого. Эти лекции вдохновили двух молодых людей — Тейяра де Шардена и Ле Руа — на раздумья о месте и назначении человека в природе. Фактором, объединяющим все уровни организации живого в единое целое — биосферу, — является биотический обмен веществ.
Биосфера — единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она — иерархически построенное единство, включающее разные уровни жизни: особь, популяция, биоценоз. В процессе исторического развития сложились различные группы организмов — сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания. Крупнейшие наземные сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами, называются биомами. Растения и животные существуют в тесной зависимости от окружающей неживой природы и от других организмов, испытывают на себе их воздействие и приспосабливаются к ним. Биоценоз, или сообщество, — это совокупность растений или животных, населяющих участок среды обитания. Биогеоценоз, или экосистема, — это совокупность сообщества и среды его обитания. Биоценоз — живая часть биогеоценоза — состоит из популяций организмов разных видов, в них сосуществуют популяции видов с разной историей (как и наблюдаемые звезды, каждая из которых имеет свой возраст и свою историю).
Жизнь распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Каждый из уровней относительно независим от других, давая возможность эволюционировать всей макросистеме. Биогеоценозы могут включать в разных биомах представителей от многих сотен до многих тысяч видов живых организмов.
Экология — особый раздел биологии, который занимается изучением взаимоотношений совместно живущих организмов и их зависимости от внешней среды. Этот термин предложил немецкий биолог-эволюционист Э.Геккель (1866). В буквальном смысле этот термин означает науку о «доме», «месте обитания». Но эта наука стала активно развиваться только через столетие. В зависимости от уровня организации живого различают аутоэкологию, которая изучает взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, изучающую сообщества.
Принцип устойчивости — один из главных в экологии. Многокомпонентные системы не всегда отличаются от малокомпонентных по степени устойчивости, вероятно, устойчивость эко-
569

системы определяется не числом видов, а их экологическими особенностями. Для понимания функциональной структуры биосферы важны экологические ниши, определяющие положение вида в цепях питания. Строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотроф-ные организмы, получающие питание из косного вещества. Это — в большинстве своем растения. Выше располагаются гетеротрофные организмы, питающиеся биомассой растений (травоядные). Затем — гетеротрофы более высокого порядка, питающиеся травоядными животными и т.д. (см. рис. 14.3). Эта пирамида связана с круговоротом веществ в биосфере. Круг замыкают бактерии и грибы, способные разлагать органические вещества. Пирамида более устойчива, если трофических уровней больше. Но чем больше трофических уровней, тем выше потери энергии в системе. Было установлено, что два вида, занимающих одну нишу, не могут существовать неограниченно долго в одном месте.
Различные виды организмов образуют друг с другом связи, многие из которых жизненно необходимы, а источником энергии для них служит излучение Солнца. Каждый биоценоз является трансформатором солнечной энергии в свою собственную. Сложная структура экосистем — необходимая предпосылка поддержания устойчивости. Вернадский выделил несколько условий существенности взаимосвязей в экосистемах: а) каждый организм может существовать только при условии постоянной связи с внешней средой (в том числе и с неживой природой, и с другими организмами); б) жизнь изменила нашу планету, при этом организмы все шире распространились по ней, стимулируя перераспределение энергии и веществ; в) размеры популяции растут до тех пор, пока среда может поддерживать их дальнейшее увеличение, после чего наступит равновесие; численность популяции всегда почти равновесна, колеблется около равновесного значения.
Принцип равновесия для живых систем играет огромную роль. Общее равновесие в биосфере поддерживает множество равновесий между разными ее компонентами. Равновесие в живой природе динамично, это колебания около точки устойчивости. Если они не изменяются, говорят о гомеостазе. Гомеоста-тический механизм поддерживает в живом организме параметры внутренней среды таковыми, чтобы препятствовать воздействиям внешней среды, например температура, кровяное давление, частота пульса поддерживаются такими механизмами. Естественные биоценозы могут сохраняться долгое время, а могут изменяться, например заболачивается озеро, образуется торфяник, на месте болота вырастает лес. Таким образом развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Постоянное взаимодействие всех компонентов биогеоценоза может стать причиной его изменения, а толчком к этому может служить небольшое изменение.
570

Экологические сукцессии (от лат. successio— преемственность) — закономерные изменения биоценоза, связанные с его эволюцией. В результате ряда процессов биоценоз приобретает новые возможности для увеличения разнообразия. Экологи называют сукцессию переходом биоценоза из стадии развития и стабилизации в состояние климакса. Биоценоз развивается по схеме развития своих компонент (рис. 14.6). Численность разных компонентов периодически чередуется.
Пример: песчаная дюна — трава — сухой дубовый лес — влажный лес из дуба — климаксовый лес из бука и клена. Относительная независимость биоценозов, связи между которыми ограничиваются посредниками из неживых компонентов биосферы — минеральными солями, газами атмосферы, водой, обеспечивает устойчивость всей биосферы и ее способность к эволюции.
При этом оказалось, что при развитии систем в направлении повышения устойчивости увеличивается разнообразие. Раньше казалось, что менее сложные виды дают дорогу более сложным и становятся ненужными, но это неверно. Снижение разнообразия, имеющее место в современных условиях, стало опасным для устойчивости биосферы.

Распространенность видов в биоценозах закономерна — чем меньше масса организма (и выделяемая им теплота), тем больше численность особей, причем наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов (рис. 14.7). В растительности высокотравной степи Оклахомы Э.Райс (1952) отме-

тил, что 84 % трав составляли 9 видов, а на долю остальных 20 видов приходилось только 16 %. При изменении условий жизни первыми начинают вымирать специализированные к данным условиям виды, а виды с более широким спектром возможностей выживают.

14.4. Самоорганизация в формировании климата

Понятие климата возникло еще в Древней Греции (от греч. klima— наклон). Термин был введен древнегреческим астрономом Гиппархом. Люди уже тогда понимали, что погодные условия зависят от наклона земной поверхности к солнечным лучам. До XIX в. считалось, что климат определяется высотой Солнца над горизонтом. В соответствии с этим выделяли несколько климатических поясов (12 или 36), границы которых проходили почти параллельно экватору, но средние погодные условия в этих поясах все равно отличались. А.Гумбольдт (1845) определил, что «климат — специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверх-
572

ности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло сушей, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова». К климату относится то, что не может быть выражено в терминах погоды.
Погода — это совокупность значений метеорологических параметров в любой момент времени в данной точке пространства. Существует предел предсказуемости погоды в 2 — 3 недели.
Под климатом понимают усредненные во времени характеристики, сейчас обычно за это время выбирают 100 лет. Оказалось, что столетние средние данные одинаково устойчивы для всей планеты, поэтому сам климат считается глобальной характеристикой. Вековые изменения приписывают изменению климата. На протяжении человеческой жизни (в среднем 75 лет) климат почти не меняется, поэтому погода рассматривается как нечто колеблющееся около постоянной синусоиды времен года, и заметить изменчивость климата удалось только науке. Климатическая система включает компоненты, находящиеся между собой в сильной взаимной зависимости: океан, атмосферу, поверхность суши, биосферу. И для описания климата Земли нужно знать совокупность статистических характеристик всех компонент системы. Период метеонаблюдений порядка 100—150 лет, а спутниковые виды наблюдений еще более недавние. Проследить за историей климата Земли можно только по очень ограниченному числу показателей или косвенных признаков.
Для человечества существенна зависимость от климата. И хотя в XXI в. возможно преодолеть последствия таких аномалий, зависимость от климата не ослабевает. Да и человеческая деятельность стала оказывать влияние на климат. Так, климат вблизи созданных водоемов уже отличен от климата окружающих мест, меняется газовый и аэрозольный состав атмосферы, все меньше остается лесов, появляются пустынные или заболоченные территории. Рост населения земли и развитие цивилизации требуют увеличения потребления энергии, сырья, продовольствия, расширения пахотных земель и т.д., что способно существенно повлиять на изменение климата на больших пространствах. Наука климатология призвана использовать знания о климате и его изменениях при планировании и управлении хозяйственной деятельностью, но пока она не способна однозначно оценить последствия суммарного воздействия на климат факторов естественного и антропогенного происхождения.
В 1967 г. была начата подготовка международной научной Программы исследования глобальных атмосферных процессов при поддержке ООН. Она должна была обеспечить долгосрочные прогнозы погоды на 3 — 5 дней и на средние сроки (2 — 3 недели). К началу 80-х гг. была принята Всемирная климатическая программа, которая предусматривала три состав-
573

ляющих: сбор данных о климате и использование этих данных на практике, исследование влияния климата на деятельность человека; изучение изменений климата под влиянием природных и антропогенных факторов. Несмотря на важность изучения климата только в середине XX в. наука начала переходить от описания климата к объяснению его.
Для климата важна величина солнечной энергии, приходящаяся на единицу поверхности Земли за сутки. Световая мощность, попадающая на единичную площадку, или освещенность, пропорциональна косинусу угла между направлением на источник света и нормалью к площадке и обратно пропорциональна квадрату расстояния — солнечная постоянная; а — среднее расстояние до Солнца. Расстояние до Солнца в течение года меняется в пределах 3,3 %, т. е. разница в освещенности Земли примерно 7 %. Угол наклона площадки к Солнцу меняется каждый час, день, год и зависит от широты местности. Из-за большой теплоемкости земной поверхности, особенно покрытых водой участков, остывание за ночь не очень велико, и солнечная энергия, поступающая за сутки, — важнейшая характеристика климата данной широты. Тепловые характеристики — важные параметры климатической системы. Отражательные свойства поверхности фиксируются таким параметром, как альбедо поверхности; важны тепловые свойства поверхности, теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью суши и океана, уровень океана, положение ледников и т.д. Математические модели общей циркуляции атмосферы позволяют восстановить режим климатической системы с учетом этих факторов в различные времена года. Использование численных экспериментов с разными типами моделей циркуляции атмосферы позволяет усовершенствовать модели климата и уточнить картину изменений климата.
Знание эволюции климата важно для понимания процессов его изменения. Основную информацию дают геологические и палеонтологические данные, дополняемые данными археологии и истории, относящимися к последнему периоду истории Земли. Для эпохи голоцена используют сведения из архивов и летописей. По данным палеонтологии восстановили вид поверхности суши, ее ландшафта, растительности, орографии, температуры поверхности океана. Для количественных характеристик климата прошлого используют методы геохимии. Изотопный анализ позволил выделить в истории Земли несколько крупных ледниковых эпох; последний был около 650 млн лет назад. Были периодические похолодания и потепления, менялся состав атмосферы. Более надежные данные о климате есть лишь за последние 2 млн лет, когда формировалась биосфера (четвертичный период). Тогда температура Земли была порядка 15 °С и колебалась при переходе от ледниковых эпох к межледниковым в пределах 5—10 °С. За этот период были и длительные оледенения ( по 70 — 120 тыс. лет), и более
574

короткие межледниковые периоды ( по 15 — 20 тыс. лет). Данные термины вовсе не означают, что Земля была в этот период полностью покрыта льдом или свободна от него.
Методами спектрального анализа различных косвенных климатических показателей были выделены три периодичности колебаний климата. Период в 100 тыс. лет связан с таким же периодом колебания эксцентриситета орбиты Земли, период в 40—43 тыс. лет — с периодическими изменениями наклона экватора к плоскости орбиты, а период в 19 — 23 тыс. лет — с прецессией орбиты. Таким образом, отмеченная периодичность связана с изменениями приходящей на Землю солнечной энергии, вызванными колебаниями орбиты нашей планеты. Начало истории цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся около 10—15 тыс. лет назад, — голоцен. За этот период климат неоднократно менялся. Около 7 — 8 тыс. лет назад, когда наступило потепление после ледникового периода, растаял сначала скандинавский ледяной покров, затем — льды в Северной Америке, а 4,5 тыс. лет назад — лабрадорские льды. Отступила на север граница зоны вечной мерзлоты. Озеро Чад имело размеры Каспийского моря, а уровень воды в нем превышал уровень воды Каспия на 40 м. Около 4 тыс. лет назад стало холоднее и суше, и многие субтропические зоны стали превращаться в пустыни (в Сахаре, Аравии, в долине Инда). Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и долины рек Тигра, Евфрата и др. Потепление отмечалось в VIII —XII вв., потом в XIV—XIX вв. — похолодание, а сейчас — потепление. Деятельность человека вносит все большие коррективы в ход этих процессов.
Излучение Солнца во время своего образования было на 30 % слабее нынешнего, и потом светимость Солнца стала возрастать пропорционально времени. Этот так называемый парадокс молодого Солнца должен быть сказаться на климате планет: если бы атмосфера 4 млрд лет назад была такой, как сейчас, то она находилась бы в замороженном состоянии еще 2 млрд лет назад. Но данные по изучению осадочных пород этого не подтверждают. По крайней мере, 3,8 млрд лет назад на Земле уже были океаны, поэтому должна была измениться и земная атмосфера. Планеты земной группы, вероятно, когда-то были похожи друг на друга. Они состояли почти из одинаковых пород, имели сходные по составу атмосферы и были достаточно большими, чтобы удержать воду на поверхности. Разница в климате возникла из-за разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ — газ парниковый, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает теплоту планеты и переизлучает часть ее к поверхности. Расчеты, проведенные на ЭВМ, показывают, что умеренный климат Земли обязан своим происхождением особенностям механизма газового обмена: при
575

остывании планеты количество углекислого газа в атмосфере увеличивается, и наоборот. Марс потерял способность возвращать газ в атмосферу, потому он «заморожен», Венера, наоборот, не имеет механизма выведения углекислого газа из атмосферы, а Меркурий вообще не способен удержать атмосферу, и Солнце определяет температуру его поверхности.
Климат менялся вместе с эволюцией планет. Предполагают, что в отдаленном прошлом был значительный парниковый эффект, и аммиак (эффективный поглотитель инфракрасного излучения) мог бы создать более теплый климат на Земле, если бы составлял сотые доли процента воздуха. Но под действием света аммиак разлагается на азот и водород — газы, не создающие парникового эффекта, и он должен был все время выделяться из недр планеты для сохранения теплоты. Углекислый газ не так быстро разрушается светом, его достаточно много на Земле (хотя в атмосфере его давление всего 30 Па, но наличие его в карбонатных породах достаточно для создания давления и в 6 • 106 Па). Если бы в первоначальной атмосфере Земли его было даже несколько тысяч Паскалей, то создаваемого им парникового эффекта было бы достаточно для того, чтобы вода не замерзала. По оценкам М. Хартра, снижение содержания С02 в атмосфере происходит со скоростью, компенсирующей возрастание светимости Солнца. Сравнивая аналогичные расчеты для разных расстояний от Солнца, он получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. е. на 5 % атмосфера нагрелась бы настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося парникового эффекта, а на расстояниях, больших на 1 %, — разгоняющего оледенения, т.е. только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01 а. е. Земля смогла избежать этой катастрофы климата.
Этот режим саморегуляции, или отрицательной обратной связи, обеспечил нашей планете устойчивость климата. Вряд ли появление жизни на Земле в таком узком кольце Солнечной системы — это случайность. Скорее всего, содержание С02 менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80 % обмена С02 между планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн лет.
Началом цикла карбонатного метаболизма можно считать растворение атмосферного углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода. Угольная кислота вступала в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы кальция и бикарбоната, которые поступали в грунтовые воды, а затем в океан, где оседали в скелетах и раковинах планктона и других организ-
576

мов, состоящих из карбоната кальция (СаС03). Останки этих организмов откладывались на океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширялось, через много тысяч лет эти породы приблизились к краям континентов. Дно подтягивало их под берег, они попадали в земные недра, где на них действовали давление и температура. Карбонат кальция соединился с кремнием, образуя силикатные породы и выделяя углекислый газ. Газ вновь попадал в атмосферу через извержения вулканов и сре-динно-океанические хребты. Цикл завершился (см. рис. 10.3, б).
Изменения температуры земной поверхности влияют на количество С02 в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. Тогда меньше воды испарится из океана, меньше выпадет дождей, уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Для С02 уменьшится скорость покидания атмосферы, а скорость регенерации в процессе карбонатного метаболизма и поступления в атмосферу останется на прежнем уровне. Будет накапливаться С02, усилится парниковый эффект и восстановится более теплый климат. Если по какой-то причине на Земле произойдет потепление, обратная связь сработает в другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны вымерзли, дожди прекратились, содержание С02 в атмосфере возросло. При современной скорости выделения его давление в 105 Па создается за 20 млн лет, такого количества углекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают, и восстановится нормальный для жизни климат.
В круговороте углекислого газа большую роль играют организмы, определяющие изменения климата. Около 20 % С02, не участвующего в карбонатно-силикатном обмене, выводится из атмосферы фотосинтезирующими растениями. При гниении растений и окислении в почве накапливается С02, и его оказывается в почве больше, чем было 400 млн лет назад до появления растений. Поэтому превращение силикатных материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. По расчетам исчезновение растений повысило бы температуру на 10 °С за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.
Во многих геохимических процессах, в том числе в круговороте азота, углерода и серы, ключевую роль играют бактерии. Если бы эти процессы прекратились, то почва, атмосфера и вода стали бы непригодны ни для каких форм жизни, поэтому эти примитивные одноклеточные организмы можно назвать организаторами жизни на Земле. Увеличение температуры и возросший парниковый эффект создали бы на Земле климат, который был в середине мелового периода 100 тыс. лет назад: теплый и подходящий для некоторых форм жизни (включая и динозавров). По расчетам только водяной пар, дающий сейчас наибольший вклад в парниковый эффект, не мог бы обеспечить стабильные тепловые условия на планете при меняющейся светимости Солнца.
577

Если бы подобные процессы существовали на Марсе, они не смогли бы удержать климат в достаточно узких пределах. В атмосфере Марса углекислый газ создает давление только в 600 Па, что позволяет обеспечить парниковый эффект на уровне 6 °С. Фотографии, полученные станциями «Маринер» и «Викинг», подтвердили, что поверхность Марса покрыта каналами, которые могли образоваться при выходе на поверхность глубинных вод, когда на Марсе было теплее. Геологи не определили, насколько когда-то температура Марса была выше. Может быть, тогда было больше (раз в 100) углекислого газа, обеспечивающего парниковый эффект. Но Марс меньше Земли по массе почти в 10 раз, и круговорот СО2 должен быть слабее. Оценки возраста каналов по количеству покрывающих их метеоритных кратеров показывают, что он старше 3,8 млрд лет. Замедление процесса круговорота С02 произошло из-за механизма возврата газа в атмосферу, поскольку на Марсе, вероятно, не была столь выражена тектоника плит. Вулканическая лава покрывала карбонатные остатки, они погружались на глубины, где под действием давления высвобождался газообразный С02, и по оценкам, так могло продолжаться примерно 1 млрд лет. Видимо, Марс из-за меньших размеров охлаждался быстрее, чем Земля: у него было меньше внутренней теплоты, которую он из-за большего отношения площади поверхности к объему скорее терял, его недра охлаждались, теряя способность высвобождать углекислый газ из пород. Углекислый газ из атмосферы постепенно накапливался в грунте, планета становилась все тоньше, меняя климат, и сейчас Марс имеет воду только в замороженном виде.
На Венере почти нет воды. Одни ученые считают, что ее там было не больше, чем нужно для образования гидратированных минералов, так как Венера образовалась из слишком горячей части туманности; другие — что воды было почти столько, сколько и у Земли, но она, попав в верхние слои атмосферы, распалась под действием солнечного света, а водород улетучился в космическое пространство.
Концепцию разгоняющегося парникового эффекта предложил Хойл (1955). Сейчас считается более подходящей теория влажного парника, так как при давлении 105 Па и водяного пара, и углекислого газа водяной пар занял бы 50 % объема, и большая часть его покинула бы атмосферу. Воздух в такой атмосфере охлаждался бы медленно, на высотах около 100 км образовалась бы холодная ловушка (слой, где низкая температура и высокое давление создают минимум точки насыщения). В ней и происходила бы фотодиссоциация воды, а из-за расположения ее на большой высоте водород ускользал бы в Космос. Для сравнения: у Земли такая ловушка расположена на высоте между 9 и 16 км (вблизи границы тропосферы и стратосферы), поэтому наш водяной пар успевает сконденсироваться, стратосфера оказывается сухой, не позволяя улетучиться водороду. Так к своему сухому и горячему состоянию пришла атмосфера Венеры. Если там и были океаны, они постепенно бы испарились, прекратилось образование карбонатов, С02 стал накапливаться в атмосфере. Газообразные соединения серы хорошо растворяются в воде. Сначала их
578

было мало, но затем они стали накапливаться и образовывать облака из серной кислоты, из которых сейчас состоит атмосфера Венеры. К ней приходит солнечного света почти вдвое больше, чем к Земле, но ее кислотные облака отражают до 80 % света, и она получает теплоты и света от Солнца меньше, чем Земля. При отсутствии парникового эффекта Венера была бы не намного теплее Марса и холоднее Земли.
Светимость Солнца растет примерно на 1 % в 100 млн лет, т.е. через 1 млрд лет на Земле могут возникнуть условия, угрожающие существованию жизни и сохранению воды на ней. Многие из механизмов отрицательной обратной связи, которые способствовали стабилизации климата на ней в течение 4,5 млрд лет, могли бы действовать и на другой планете, расположенной дальше от Солнца в расширенном современными расчетами коридоре до 1,5 а. е., или на Марсе, будь он побольше сам и будь побольше его атмосфера. Итак, уже найдена полоса условий существования жизни для обнаруженных у какой-то звезды планет. Поверхность Земли пока представляется нам «космической чашкой Петри», где жизнь может зародиться и эволюционировать к достаточно сложным формам.

14.5. Концепции эволюции растительного и животного мира

Первые клетки, начало биологической эволюции, появились еще в архейскую эру. Следы жизни были незначительны, обнаружены остатки анаэробных автотрофных предшественников синезеленых водорослей. Переход к фотосинтезу, длительный, завершился около 1,8 млрд лет назад, изменив нашу планету. Атмосфера стала кислородной, возник озоновый слой, затрудняющий путь ультрафиолетовому излучению к поверхности Земли. Кислотность морской воды, наоборот, уменьшилась. Произошел переход от прокариотов к эукариотам. У них ДНК уже сконцентрирована в хромосомы, сосредоточенные в ядре клетки. Эта клетка воспроизводится почти без изменений, и в неизменной среде эти новые, «дочерние» клетки имеют преимущества при отборе.
В протерозое, длившемся 2 млрд лет, мир был населен еще одноклеточными, и только началось разделение клеток на растительные и животные. Растительные клетки покрывались более жесткой оболочкой, которая защищала их, но и мешала перемещению при добывании пищи. Эти клетки совершенствовались для накопления питательных веществ в процессе фотосинтеза — образовывались клетки как с автотрофным, так и гетеротрофным питанием. Обе эти группы участвовали в биотическом круговороте веществ и взаимно дополняли друг друга. Животные клетки были покрыты более эластичной оболочкой, не мешающей им пере-
579

двигаться в поисках пищи, которой им служили другие клетки, — растительные или животные. Эти качества совершенствовались, животные клетки поглощали все более крупные частицы, пропуская их через свою оболочку; естественный отбор ускорял эти усовершенствования.
Следующий этап развития жизни и усложнения ее форм — появление полового размножения ( 900 млн лет назад). Его достоинство — в увеличении разнообразия видов и ускорении эволюции. Первые многоклеточные представлены губками, кишечнополостными, членистоногими. Их эволюция шла в направлении совершенствования способов передвижения и дыхания, лучшей координации деятельности клеток и пр. И за 100 млн лет усложнилась организация многоклеточных организмов с дифференцированным телом, органами и тканями, имеющими различные функции.
В протерозое и начале палеозоя растения живут в морской воде: бурые и зеленые водоросли прикреплены ко дну, а в толще воды находятся красные и золотистые водоросли. Из-за повышения солености морей животные, усваивая минеральные соли, смогли образовывать жесткий скелет (рис. 14.8).
В кембрии, длившемся 100 млн лет, произошел гигантский «взрыв» жизни. В море появились почти все виды животных, которые впоследствии развивались и совершенствовались: ракообразные, кораллы, моллюски, трилобиты, плеченогие, иглокожие. Среди окаменелостей кембрия находят немало остатков скелетов животных, похожих по строению на современные, которых не находили в докембрийских пластах. Этот скачок и определил границу между эрами на шкале геологического времени Земли. Но лишь немногие из видов животных, населяющих кембрийские моря, стали предками существующих ныне форм. Большинство видов вымерли, их считают «ошибками» природы.
Появление огромного разнообразия видов изменило и отношения между животными. Все шире распространялись организмы, питающиеся животной пищей, появились хищники, стали складываться современные типы животных сообществ, связанных пищевыми цепями. Обнаружены окаменелости хищников, поверженных ими жертв и у отдельных животных — приспособления для борьбы с хищниками. В ряде новых типов впервые возникли раковина и экзоскелет. У некоторых трилобитов развились длинные шипы, затруднявшие нападение хищников, которые стали важным элементом среды обитания. Как объяснить такой «взрыв» разнообразия форм 570 млн лет назад? Сильно изменились концентрации фосфатов, изотопов серы и стронция в морской воде, и, вероятно, еще в протерозое на поверхности суши в результате взаимодействия минералов, климатических условий и бактерий стала образовываться почва. Это подготовило выход на сушу растений, а
580

затем и животных. К началу кембрия при обилии питания в морских водах раскололся суперконтинент, и возникли протяженные береговые линии с тропическим климатом. Считают, что тогда геном был существенно проще, и меньше мутаций оказывались летальными. Эта генетическая пластичность при обилии незанятых экологических ниш и привела к взрыву разнообразия видов. В ордовике (500 млн лет назад) в море появились плотоядные, имеющие длину до 10 м, и небольших размеров первые позвоночные — животные, имеющие скелеты. Вероятно, это были бесчелюстные рыбообразные, покрытые чешуей, которая помогала им спасаться от хищников. Господствовали иглокожие, трилобиты. В конце ордовика начался переход на сушу первых споро-
581

вых растений, заселявших берега пресных водоемов. В морях распространились полухордовые (типа ланцетника). Поверхность Земли была красноватой из-за коррозии минералов железа в кислородной атмосфере.
В период силура, наступившего еще через 100 млн лет, появились позвоночные — панцирные рыбы — и продолжилось заселение суши растениями. Переход на сушу сопровождался изменениями в приспособляемости их к новой среде. Так, сильно возросла масса тела (на величину выталкивающей силы). В воздухе нет питательных веществ, выше содержание кислорода, и он пропускает свет и звук иначе, чем вода. Переселявшиеся на сушу растения получали эволюционные преимущества — при обилии солнечного света фотосинтез становился более совершенным. Чтобы ограничить испарение влаги, стала формироваться водонепроницаемая оболочка, для обеспечения питанием в новой среде развивалась корневая система, для укрепления и поддержания в условиях суши формировалась и древесина. Происходила дифференциация тела на корень, стебель и лист. Изменилась и репродуктивная система — на суше оказались непригодными для размножения свободно плавающие половые клетки, стали формироваться семена и споры. Спорофитная ветвь оказалась более приспособленной к жизни, ее представляют высшие растения. Гаметофитное направление представлено мохообразными. К концу силура поверхность Земли вблизи водоемов приобрела зеленый цвет: из древних голосеменных и прогимноспримов появились и животные — паукообразные (типа современных скорпионов).
В девоне появились двоякодышащие, т. е. помимо дыхания в воде они могли дышать и легкими, а также хрящевые рыбы — акулы и скаты. У акул сложная система поведения, прекрасные обоняние и электромагнитная система ориентации, почти не изменившиеся за прошедшие 400 млн лет. В этот период появились и костистые рыбы; двоякодышащие пресноводные рыбы, вероятно, дали жизнь первичным земноводным, а затем и сухопутным позвоночным. Постепенно вырабатываются разные способы укрепления каркаса тела: помимо внутреннего каркаса у позвоночных складывается и наружный — у насекомых. Появившиеся насекомые обладают достаточно сложной системой отражения, врожденные рефлексы преобладают над приобретенными, по всему телу распределены нервные центры, тогда как у позвоночных развивается в основном мозг и преобладают условные рефлексы над безусловными. Эти различия возрастали и стали проявляться после перехода к жизни на суше. В девоне возникли грибы, сушу освоили пауки и клещи.
В карбоне климат был теплый и влажный, Земля покрылась морями и большими заболоченными территориями, широко распространились кораллы и моллюски. В условиях постоянного лета
582

разрослись густые тропические леса папоротникового типа. Началось активное заселение суши животными. Первыми из позвоночных, 'приспособившимися к новым условиям среды, стали рептилии. Яйца рептилий покрыты скорлупой, предохранены от высыхания и снабжены питанием для эмбриона. Некоторые уходили в воду (мезозавры), а другие, наоборот, удалялись от воды. Растения карбона тоже уже приспособились удерживать воду и защищать семена от высыхания, мощные споровые растения достигали высоты 40 м. К концу периода распространяются голосеменные, у которых происходит переход от одинарного набора хромосом к двойному. Так растут генетические возможности организмов. Дальнейшая эволюция шла по совершенствованию семян. Переход к семенному размножению обладал рядом эволюционных преимуществ, и семенные растения разрастались. Появились первые хвойные. К концу периода карбона (285 млн лет назад) климат стал более засушливым, земноводные, которые преобладали эти 60 млн лет каменноугольного периода, стали вытесняться пресмыкающимися, способными удаляться на большие расстояния от водоемов.
В конце палеозойской эры, в перми, воздух осваивают огромное количество насекомых. Появились и покрытосеменные растения. Такие семена могли переносить животные, и растения формировали средства, привлекающие животных. Цветковые — чрезвычайно разнообразны по цвету, форме и запаху. И сейчас в тропических лесах почти 80 % составляют покрытосеменные растения. Земноводные (амфибии) жили на суше; у них усовершенствовалось легочное дыхание, развились пятипалые конечности с плечевым и бедренным суставами. Но размножались они с помощью икры, которую метали в воду, поэтому они не могли удаляться далеко от водоемов. В связи с этим господство земноводных на Земле было непродолжительным.
Мезозойская эра продолжалась 170 млн лет и закончилась 70 млн лет назад. Она разделена на три периода: триасовый, юрский и меловой. Ее называют эрой пресмыкающихся, распространившихся по всей планете и достигших огромного разнообразия. Некоторые рептилии стали хищными, а другие — травоядными. В триасе размеры динозавров достигли 6 м в длину и увеличивались по мере овладения планетой. Появились черепахи, крокодилы и первые млекопитающие. В юрский период (длившийся 60 млн лет) возникли птицы, но первые (археоптерикс) напоминали не только птиц, но и рептилий. Развивались морские рептилии — ихтиозавры и плезиозавры, появились летающие ящеры — птеродактили. К меловому периоду относится появление гигантских растительноядных динозавров — брахиозавров (длиной до 30 м, массой до 50 т). В конце мезозоя климат стал более холодным, сократились площади областей с богатой растительностью, что
583

привело к гибели сначала растительноядных, а затем и плотоядных динозавров. Преимущество в развитии при похолодании получили теплокровные животные — птицы и млекопитающие.
Кайнозойская эра, которая началась 67 млн лет назад, разделена на три периода: палеоген, неоген и четвертичный. Преобладают цветковые растения, насекомые, птицы и млекопитающие; прогрессируют покрытосеменные растения, формируя новые систематические группы. В начале палеогена (палеоцене) после вымирания динозавров почти все экологические ниши на суше, воде и воздухе заняли млекопитающие, среди них появились и первые хищные. Млекопитающие имели большое преимущество перед господствовавшими ранее пресмыкающимися, так как меньше зависели от перемен окружающей среды. Они имели более развитый мозг, вынашивали детенышей в теле матери и питали их через плаценту, поддерживали постоянной температуру тела. От первых хищников произошли копытные, от некоторых видов насекомоядных — приматы. В неогене появились многочисленные виды обезьян, а в конце периода — плиоцене (8 — 3 млн лет назад) сформировались почти все современные семейства млекопитающих (тогда их было 140, сейчас — около 95). Часть млекопитающих ушла в море: китообразные и ластоногие.
Палеоген и неоген иногда называют третичным периодом, а четвертичный период — антропогеном. Этот последний период, начавшийся 3 млн лет назад, характеризуется заметным похолоданием. Северное полушарие четырежды подвергается оледенению. Вымирают многие крупные животные: мамонты, саблезубые тигры и др. Природа принимает почти современный вид, в животных формируются тенденции стадного образа жизни. При этом у млекопитающих переход к стадному образу жизни не вел к потере индивидуальности, как у насекомых, а, наоборот, подчеркивал ее. Эти тенденции вели к возникновению человека. Эволюционное отделение ветви, которая привела к появлению современного человека, произошло примерно 13 — 7 млн лет назад. В эмбриональном развитии человека есть черты, похожие на черты всех животных типа хордовых, класса млекопитающих, подкласса плацентарных и отряда приматов.

14.6. Человек — качественно новая ступень развития биосферы

Современные представления о человеке связаны с феноменом его появления как итога эволюции органического мира. Некоторые ученые считают началом выделения человека — появление прямохождения. Останки такого человека найдены в Эфиопии, им около 4 млн лет. По ним можно видеть, что тогда не было ни
584

огня, ни орудий труда. Прямохождение освободило руки, развивалась рука для иных целей — на ней выделился большой палец. Появление огня датировано 1,4 — 1,9 млн лет. Выделяет человека из животного мира не только использование огня, но и захоронение трупов. В Кении найдено захоронение человека в возрасте человека умелого, которому 1,8 млн лет. Считается, что заселение Европы и Азии шло с Ближнего Востока. В районе Горно-Алтайска академик А. П. Окладников обнаружил следы гоминизации на отметке 1,5 млн лет.
Появление человека — качественно новый этап развития биосферы, который обеспечил разум человека. Благодаря разуму человечество стало самоорганизующейся системой. Еще в прошлом веке И. М. Сеченов говорил, что понять человека можно только в единстве плоти, духа и природы, частью которой он является (1861): «Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него». Сходство человека с животным определяется не только элементным составом и строением тела (те же белки и нуклеиновые кислоты, те же структуры и органы), но и поведением. Кроме того, человеческий зародыш проходит во внутриутробном развитии все стадии эволюции вида. Дополнительные доказательства: рудиментальные органы, атавизм, многие черты поведения. У животных, как и у человека, развита система общения с помощью тех или иных сигналов.
Изучив огромный материал по зародышевому развитию губок, иглокожих, кишечнополостных и других беспозвоночных, наши естествоиспытатели И. И. Мечников и А. О. Ковалевский обосновали идею единства происхождения всего органического мира. Развивая эти исследования и обнаружив внутриклеточное пищеварение в подвижных клетках соединительной ткани беспозвоночных, Мечников разработал теорию фагоцителлы — теорию происхождения многоклеточных организмов (1880). Фагоцитоз — это способность особых, блуждающих клеток активно захватывать и уничтожать различные инородные тела (в том числе и микробы). Если побеждают фагоциты, больной выздоравливает, в противном случае — умирает. У высших животных, например, типичными фагоцитами (пожирателями) являются белые кровяные тельца — лейкоциты. Процесс проникания лейкоцитов через стенки сосудов к месту воспаления — одно из наиболее интереснейших явлений природы. На многих опытах с холерными микробами (в том числе и на самом себе) Мечников доказал, что фагоцитоз играл наибольшую роль в формировании невосприимчивости организма к инфекциям.
В притягательную для любого человека область явлений психики впервые проник И.М.Сеченов. Он первым высказал положение о наличии
585

связи жизненной деятельности клетки с внешней средой. Сеченов доказал, что психическая жизнь человека и, в частности, его сознание являются результатом деятельности мозговых клеток (1863). Он утверждал, что все акты сознательной и бессознательной жизни человека по способу прохождения — только рефлексы, причем источником рефлексов могут быть как внутренние, так и внешние раздражители. У человека в качестве таких источников могут быть нравственные регуляторы. Демонстрируя в опытах на себе скорость прохождения рефлекса, он силой воли задерживал скорость некоторых из них. Отсюда — особая роль столкновения человека с жизнью, воспитания в широком смысле слова в нравственной регуляции поступков, а значит, и в скорости тех или иных реакций организма. Эти исследования дали основания И. П. Павлову утверждать, что «приближается важный этап человеческой мысли, когда физиологическое и психологическое, объективное и субъективное действительно сольются и... отпадет естественным путем противопоставление моего сознания моему телу». Павлов перешел от изучения связей организма с окружающей средой, осуществляемых нервной системой, к исследованиям функций больших полушарий головного мозга. Он разделил рефлексы на безусловные и условные. В 1925 г. он открыл при своей лаборатории две клиники — нервную и психиатрическую, в которых применял для лечения результаты, полученные в исследованиях высшей нервной деятельности. Таким образом, он показал, что ряд нарушений душевной деятельности (например, шизофрения) связан с подчеркнутым проявлением так называемого охранительного торможения.
Исследуя качественные различия высшей нервной деятельности человека и животных, Павлов разработал учение о двух сигнальных системах: первой, общей для обоих, и второй, свойственной только человеку. Высшие животные способны понимать слова и эмоции, но они не способны к формированию отвлеченных понятий. Мышление животных всегда конкретно, тогда как человек формирует обобщения, понятия. При помощи второй сигнальной системы осуществляется высшее человеческое отвлеченное мышление. Способность к понятийному мышлению отражает интеллект человека. Человек имеет план своей работы, он способен сознавать и понимать происходящее в мире. Развитая речь позволила расширить общение с помощью слов, к этому не способны животные. Недаром — «в начале было Слово». Оно способствовало организации людей в общество. Человек не только способен к труду, но и целенаправленно изготовлять орудия труда.
Мир живого — самоорганизующийся. Подобно тому как биосфера — самоорганизующая целостность, таковы и все ее уровни. Для животного мира формой организации является стадо. Социальное поведение животных — это эволюционный механизм, определяемый преимуществами общественной жизни. Постепенно потребность в обеспечении безопасности у животных становилась высшей потребностью, сформировала соответствующие инстинкты. Сначала была анонимная стая, потом появилась безличная,
586

затем личная семья. Этология (от греч. этос — поведение, характер, нрав) — наука о поведении животных — показывает, что в животном мире есть общественная жизнь с эмоциями и чувствами. К. Фриш экспериментировал с пчелами, а К.Лоренц и Н.Тинберген изучали более сложное поведение многих видов птиц, рыб, млекопитающих и насекомых.
Проблема соотношения социального и биологического интересовала ученых и философов во второй половине XX в. Любовь — сдерживающий агрессию фактор, эволюционно выгодный, поскольку обеспечивает репродукцию. У большого числа видов существует иерархическая форма организации, в том числе и у высших животных. Управляет такой организацией чаще всего одна особь, но встречается и коллегиальное управление. Пчелы, муравьи и термиты живут колониями, организованными по кастовому признаку. Приматы имеют более гибкую систему, в которой возможно перераспределение ролей. Есть группы, которые ведут непримиримую борьбу за первенство, такими являются сообщества крыс — спутников человека. По Лоренцу, «крыса пользуется теми же методами, что и человек: традиционной передачей опыта и его распространением внутри тесно сплоченного сообщества... Там, где отбор производится соперничеством сородичей самим по себе, — там существует огромная опасность, что сородичи в слепой конкуренции загонят друг друга в самые темные тупики эволюции». К 80-м гг. позиция Лоренца сместилась в сторону большей гуманизации человека и общества. Биологизация человека ведет не только к пассивности в воспитании, она может служить и идейным основанием различных форм расизма. Но к началу XXI в. был расшифрован геном человека, и стало известно, что расовые отличия в нем отсутствуют.
Человек — биосоциальное существо. Он прошел путь эволюции, сформировалось общество, и человек — его социальный продукт. Разрушение в человеке его социальной сущности — возврат к животному миру. Эти проблемы обсуждались еще в античности: киники видели природу человека в его естественном образе жизни, Эпикур — в его чувствах (одинаковых у человека и животных), стоики — в разуме. Сейчас этим занимается наука — социо-биология. Поэтому человек обречен на развитие, на самоусовершенствование через индивидуальность и через общество. Индивидуальность оттачивает миропонимание, общество ставит рамки, в которых индивидуальное миропонимание играет положительную роль в обществе. Появление противоречий между индивидуальным и общественным отражает инерцию в развитии; она спасает от крайних флуктуаций в развитии индивидуальности и действий индивида в отношении общества. Но слишком большая инерционность общества может и «задавить» личность, если индивидуальность не будет ее учитывать, т.е. система «личность — обще-
587

ство» развивается в самосогласованном режиме: личность созревает в обществе, а общество создается под влиянием личности. Единство биологического и социального — основа феноменоло-гилизма человека. Примеров нарушения этого баланса в человеческой истории предостаточно, и все они поучительны. Многократно общество расправлялось с индивидуальностью, чем наносило ущерб своему развитию. Часто и гениальная личность ввергала общество в различные авантюры.
Общество тоже прошло определенную эволюцию. Существует культурно-историческая концепция, идущая из Древней Греции. Геродот противопоставлял Европу — мир эллинских полисов и Азию — персидскую монархию. Деление на пролетариат и буржуазию в некотором роде соответствует этой концепции. Согласно другой концепции, история общества — единый процесс развития всей планеты. Сначала общество опиралось на четыре империи — Ассирийскую, Персидскую, Македонскую и Римскую. А.Дж.Тойнби в качестве единицы всемирной истории выбрал национальное государство, пытаясь совместить эти оба подхода. Потом заменил новой единицей — локальной цивилизацией. Он выделил среди «неевропейских» 21 цивилизацию в 16 регионах планеты. Среди цивилизаций — «примитивные» и «цивилизованные». Развитие общества идет через мимесис (подражание). В примитивных цивилизациях — это подражание предкам, т. е. общества статичны. Цивилизованные общества динамичны: подражают личностям, которые «бросают вызов» трудностям и преодолевают их через усилия. Этими вызовами могут быть природные катаклизмы, нападение чужеземцев или распад предыдущих цивилизаций. Объединительные тенденции развития обществ Тойнби связал с мировыми религиями, среди которых — зороастризм, иудаизм, буддизм, христианство, ислам. При этом он постепенно пришел к идее «экуменического» видения истории, считая, что главное последнее единение может быть достигнуто на базе объединенной религии.
Универсальный эволюционизм исходит из представления, что возникновение духовного мира человека, его планеты и Вселенной — результат самоорганизации, саморазвития человека как биологического вида и общества как структур человечества.

14.7. Концепции коэволюции и ноосферы

Химическую эволюцию можно трактовать как результат взаимодействия химических элементов, биологическую — организмов, концепция коэволюции объясняет эволюцию в схеме «хищник— жертва», когда оба объекта должны постоянно совершенствоваться. Концепция коэволюции объясняет существование альтруизма
588

у животных — заботу о потомстве, повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных условиях и т.д.
Гипотеза о Гее — Земле возникла на основе концепции коэволюции, учения о биосфере и экологии. Ее сформулировали химик Дж. Лаклок и микробиолог Л. Маргулис, вьщелив неравновесность атмосферы Земли. Это обычно считается признаком жизни, ведь присутствие жизни обнаруживается через изменение химического состава атмосферы. Применив к Земле системный подход, Лав-лок ввел понятие геофизиологии. Они посчитали, что сохранение в течение длительного времени химической неравновесности атмосферы определено совокупностью жизненных процессов. На ранней Земле существовал механизм автоматического регулирования тепловых процессов, осуществляемый двуокисью азота. Так возникало препятствие для потепления при росте яркости солнечного света — механизм обратной связи. Изменение яркости солнечного света увеличивает разнообразие, способность регулировать температуру поверхности Земли, т. е. увеличивается биомасса.
Но Земля — саморегулирующаяся система. Это связано с наличием биоты и окружающей среды, которая способна менять химический состав атмосферы и поддерживать столь важное для жизни постоянство климата. Когда эта система находится в состоянии, близком к границам саморегуляции (стресс), то даже малое изменение какого-то параметра способно вызвать переход в новое стационарное состояние («эффект бабочки», см. гл. 13). Жизнь на Земле — сеть связей, обеспечивающих саморегуляцию системы. Маргулис предположила, что эукариотические клетки произошли от симбиоза прокариотических (типа бактерий), митохондрии — от аэробных бактерий, а хлоропласта были тогда фотосинтези-рующими бактериями. Поэтому симбиоз — один из наиболее созидательных факторов эволюции. Совместная жизнь является источником разнообразия, приводит к появлению новых видов и признаков. Эта симбиотическая эволюция хорошо согласуется с идеями синергетики. Образование колонии, к примеру, можно описать так. Начальной флуктуацией служит локальное увеличение концентрации комочков земли, возникшее в какой-то точке пребывания колонии термитов. Каждый такой комочек привлекателен для других, поскольку пропитан гормонами. Флуктуация разрастается до размеров, ограниченных радиусом действия гормона. Так целесообразность на уровне организмов становится целесообразностью на уровне сообщества.
Попытку научно обосновать качественные изменения взаимодействия природы и общества под влиянием деятельности человека предпринял Вернадский. Он считал, что Земля и Космос — единая система, в которой жизнь и живое вещество играют важную роль. Вернадский ссылался на минеролога и биолога Д. Д. Дана — современника Ч.Дарвина, который показал, что эволюция
589

живого вещества идет в определенном направлении. Он указал, что в ходе геологического времени (более 2 млрд лет) наблюдаются скачкообразный рост и усовершенствование центральной нервной системы (мозга), начиная с ракообразных и моллюсков до человека, этот необратимый однонаправленный процесс Дан назвал цефализацией. Исходя из геологической роли человека А. П. Павлов говорил об антропогенной эре. В XX в. человек не только закончил карту Земли, вышел в Космос и осмотрел ее со стороны, он благодаря средствам связи стал частью единого человечества. Развитие Человека и Общества в природной среде становятся неразрывными. Но по массе своей человечество составляет ничтожную долю массы планеты, значит, сила в растущем разуме, в цефализации.
Появление человека не только изменило биосферу, но и результаты ее планетарного влияния. Начался переход простого приспособления организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей природы разумными существами. Постепенно человек стал решающим фактором преобразования планеты, и последствия появления человека разумного на Земле многофункциональны. Человек вывел много новых растений и животных, увеличив разнообразие природы, но многие виды в силу разных причин оказались на грани уничтожения или уже исчезли. Живая природа активно реагирует на вмешательство в нее человека. Быстро возросла, например, невосприимчивость грызунов и насекомых к ядам, которые использует человек. Появляются самые разные мутанты. Человек создает техносферу, не составляющую целостную систему с биосферой, не способствующую созданию новых запасов энергии. Уничтожение полезных ископаемых и живого, изменение ландшафтов и состава атмосферы ставит биосферу уже на грань катастрофы.
Вернадский говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума — ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой Разума». Сам термин «ноосфера» возник на семинаре, где выступал Вернадский со своей концепцией биосферы. Его широко использовали Э.Ле Руа и П.Тейяр де Шарден, но понимали его как «оболочку мысли» на планете. По мнению Тейяра де Шар-дена, возникновение мысли — явление, которое знаменует собой «трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты».
Ноосфера — это высшая ступень интеграции всех форм существования материи, когда любая преобразующая деятельность человека будет основываться на научном понимании естественных и социальных процессов и органически согласовываться с общими законами развития природы. Это высший этап эволюции системы «природа — общество», который только формируется и должен быть, если человечество хочет жить без глобальных потрясе-
590

ний. Такой тип отношений «природа — общество» соответствует коэволюции. В структуре ноосферы можно выделить человечество, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой.
Солнечная энергия запустила геохимические циклы круговорота химических элементов, в которые втягиваются все новые массы вещества. Образовавшиеся толщи осадочных пород запасли энергию биомассы (в форме газа, угля, нефти). Эти преобразования планетарного масштаба и произвели человека — носителя Разума. Человек зависит от биосферы, он — ее порождение. Чтобы подчинить своему развитию среду обитания, он должен овладеть биосферными процессами, иначе будет обречен как биологический вид. Но обеспечение коэволюции человека, природы и общества требуют введения некоторых ограничений деятельности. Поэтому переход в ноосферу означает обязанность человека взять ответственность за дальнейшую эволюцию биосферы в целом, т.е. и за себя, действуя по принципу «не навреди». В учении о ноосфере Вернадский впервые осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук в исследовании глобальной деятельности человечества. Живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли, постепенно человек становится силой геологического масштаба, поэтому и несет ответственность за эволюцию планеты. Сам он использовал это понятие в разных смыслах: как состояние планеты, когда человек становится преобразующей геологической силой; как область активного проявления научной мысли; как основной фактор перестройки и изменения всей биосферы.
Ноосферный этап (этап допустимого развития) состоит в том, что экономические и экологические проблемы взаимоотношений с биосферой определяются не выживанием человечества, а сохранением экосферы в гармонии живой и неживой материи, сохранением гармонии природы с сохранением ресурса животного и растительного миров, сосуществующих в биоценозах и экосистемах.
Отношения в системе «человек—природа» строились по-разному в разных культурных традициях. В классической западноевропейской культуре: природа — пассивный материал для проявления творческих возможностей человека; в восточной культуре она — источник благоговейного почитания до полного растворения в ней человеческого начала; в российской — сложилась самоценность природы, она — активный материал, соразмерный статусу человека и мироздания. Вернадский наметил для достижения этапа ноосферы серию мероприятий: решить проблему разумной плотности народонаселения и оптимальной численности жителей Земли; ликвидировать бедность; расширить границы биосферы и выйти в космос; открыть новые источники энергии; оценить допустимость и достаточность экономического развития в рамках
591

сбалансированного самовосстановления биосферы; исключить войны из жизни общества; поднять культуру человека на всех уровнях организации общества.
Сходные предложения были разработаны биофизиком А. Л. Чижевским — создателем гелиобиологии. Он установил связь между цикличностью процессов на Солнце и явлениями в биосфере. Его концепция, основанная на богатом фактическом материале, доказывала существование космических ритмов и их связь с биологической и общественной жизнью. Чижевский ввел представление о компенсаторно-защитной функции биосферы, необходимой для существования живых организмов на Земле. О расселении человечества в будущем в космосе говорили представители течения «русский космизм», идеологами которого были Н.Ф.Федоров, К.Э.Циолковский.
Концепция устойчивого развития основана на биотической регуляции среды. Мир в целом в своем техническом, экономическом и социально-политическом развитии приблизился к точке бифуркации — рубежу, за которым равновероятны выход на качественно новый (более высокий) уровень бытия системы и ее гибель. Поэтому переход на путь устойчивого развития предлагает не только установление необходимого баланса между потреблением и воспроизводством природных ресурсов при минимальном загрязнении среды, но и обеспечение устойчивого роста благосостояния, социальной защищенности и возможностей гармоничного развития каждого. Устойчивое развитие — это альтернатива неустойчивости мира, означающая развитие системы в режиме ее внутреннего динамического равновесия. В начале XXI в. слово «выживать» стало одним из самых употребляемых в национальном и международном лексиконе. И здесь велика роль ценностных установок общества и, значит, субъективного фактора истории — особая ответственность ложится на правящие политические структуры, принимающие решения и организующие изменения в массовом сознании. Они составляют духовную основу устойчивого развития. Как выразился У. Черчилль, «Пессимист видит препятствия в каждой возможности, а оптимист — возможности в каждом препятствии».
Словосочетание «устойчивое развитие» появилось после Конференции по окружающей среде и развитию, которая состоялась в Рио-де-Жанейро в июле 1992 г. Это экономически поступательное движение или устойчивость темпов экономического роста, при котором уровень давления на окружающую среду компенсировался бы темпами восстановления ее свойств. Преодоление трудностей, стоящих перед современным человечеством, не может быть достигнуто ни средствами магического мышления, ни призывами «вернуться к гармонии с чистой природой». Тут требуется мышление рациональное, которое способно не только предвидеть ката-
592

строфы, но и в ряде случаев указать пути их недопущения. «Сложное переплетение вопросов экологии, экономики и политики можно распутать методами математического моделирования», — считают современные ученые Р.Г.Хлебопрос и А.И.Фет в книге «Приро'да и общество». Итак, единственная возможность выживания человечества при росте потребностей — это использование механизма природной среды как саморегулирующейся системы. В этом смысл ноосферных преобразований.

14.8. Естественно-научная картина мира и общественная мысль

В Древней Греции науки о природе и обществе были тесно взаимосвязаны. Начало разделению духа и материи положило атомистическое учение. Эпоха Возрождения открыла экспериментальный путь исследования природы и математическую формулировку теорий, следствия из которых проверялись опытным путем. Отделение гуманитарного знания от естественно-научного относится к Новому времени. Исключив из описания мира Бога и человека, наука способствовала бурному росту промышленности. Но, как стало ясно в последнее время, научный рационализм имел для Человека и Природы и отрицательные последствия.
Естественно-научные достижения породили уверенность, что любыми процессами можно управлять так же, как предсказывать траекторию движения небесных тел. Поскольку физика шла по пути рассмотрения простых систем и простых моделей, которые старались применять к системам реальным и которые описывали наиболее существенные черты явлений вблизи положения равновесия, то этому следовали и другие науки. В механистический век Т. Гоббс описывал государство как машину, где шестернями служат граждане. «Невидимая сила» рынка А. Смита действовала как сила всемирного тяготения. Да и квантовая механика строилась по образу классической — уравнение Шредингера линейно, для волновой функции выполняется принцип суперпозиции. Это привело к неопределенности собственных значений, к невозможности единообразно описать процесс измерения. В копенгагенской трактовке квантовой механики пришлось говорить о расщеплении суперпозиции состояний (прибора и квантовой системы) или о коллапсе волнового пакета. Оказалось, что процесс измерения вдали от равновесия необратим и линейное мышление работает лишь в ограниченных условиях.
Биосоциальные явления имеют сходство с физико-техническими, несомненна их волновая природа. Периодичность общественных событий связывают с цикличностью самой природы и человека, периодической повторяемостью его потребностей. А.Л. Чижевский писал: «Если бы мы попытались графически представить
593

картину многообразия этой цикличности, то получили бы ряд синусоид, накладывающихся одна на другую или пересекающихся одна с другой... В этом бесконечном числе разной величины подъемов и спусков сказывается биение общемирового пульса, великая динамика природы, различные части которой созвучно резонируют одна с другой». В экономике, например, известно несколько рынков со своей динамикой, которые подвержены различным циклам. Так, годичный цикл определяет сельскохозяйственный или туристический рынки, отсюда сезонные распродажи овощей, зерна, топлива, путевок. Экономические модели циклов деловой активности строились в 30-е гг. (модели Хансена— Самуэльсона или Лундберга — Метцлера) и были линейными, а для объяснения нерегулярностей вводился внешний толчок. Аналогичные циклы были выделены Питиримом Сорокиным в истории открытий и изобретений, прослеженных им с XV в.
Сейчас понятно, что окружающий нас мир представляет собой сложную систему, скорее иерархию взаимодействующих систем, когда каждая из этих подсистем должна рассматриваться как открытая; физическая картина мира изменилась. Новое мировоззрение основано на идее эволюции и единства мира, на понятиях вероятности и самоорганизации, на нелинейных взаимодействиях. Этот взгляд неминуемо должен проявиться и в гуманитарных знаниях, и не просто по внешней аналогии. Процессы описываются одними математическими уравнениями, на одном языке. Сформировалась междисциплинарная методология для объяснения процесса образования макроскопических явлений, возникающих вдали от равновесия в открытых системах при превышении некоторого порогового значения фактора внешнего воздействия из-за возникновения нелинейных взаимодействий на микроуровне. Макроскопическими явлениями могут быть различные виды световых или химических волн, жидкостей, растения, популяции, рынки, ансамбли атомов, молекул, клеток, организмов, животные... Они возникают из-за взаимодействия на микроуровне между разными силами, разными частицами. Процессы описываются одинаково, и хотя в каждой предметной области конкретные выводы могут отличаться, общая эволюционная тенденция остается.
Американский астрофизик член Римского клуба Э.Янч, например, считает, что флуктуационную теорию эволюции нужно развить до политической теории и что именно так поступил К.Маркс на основе естественно-научных знаний своего времени, когда описывались равновесные процессы и каждая замкнутая система стремилась к состоянию равновесия. Поэтому равновесная и статичная картина мира прошлого века не могла не завершиться теорией бесклассового общества как конечной точки движения всей человеческой истории. С микроскопической точки зрения общество состоит из индивидов со своими стремлениями, желаниями,
594

убеждениями. Но развитие рынков, наций, культур не отражается простой суперпозицией своих частей. Тот же А. Смит подчеркивал, что намерения индивидов несущественны для рынка, баланс поддерживается «невидимой рукой», т.е. нелинейным взаимодействием потребителей и производителей. Поведение сложных систем в общественных науках должно быть описано нелинейными моделями. Стандартные экономические модели должны быть переформулированы в терминах нелинейностей, и введение нели-нейностей привело к понятию странных аттракторов в экономике, когда небольшие отклонения в начальных условиях приводили к существенному изменению траектории (так называемый «эффект бабочки»).
Пока социальные волновые процессы только исследуются, но понятия, сложившиеся в теории колебаний, уже применяются для их анализа. Развитие общества представляют спиралевидным необратимым процессом с элементами повторяемости и цикличности, описываемым диалектическими законами «отрицания отрицания» и «единства и борьбы противоположностей». Социальный или экономический порядок интерпретируется с помощью представлений синергетики — с использованием аттракторов фазовых переходов. Социологические исследования включают теорию «управляемого общественного прогресса», основанную на общей «социологии конфликтов», анализ специфики социальных институтов культуры, политики и экономики, а также концепции самоорганизации и самоуправления общественных систем.
Новое мировоззрение, опирающееся на достижения современных естественных наук, связано с понятиями вероятностей, случайностей, выбора, информации и ее кодирования. Стремительное развитие и вторжение кибернетики и ЭВМ в нашу жизнь по своим последствиям гигантски превышают перемены в обществе после изобретения книгопечатания. Микро- и наноэлектронные технологии, вызвавшие небывалый количественный рост и снижение стоимости вычислительной техники, сделали доступными массовому потребителю ЭВМ и компьютерные информационные сети. Динамику информационных технологий также можно моделировать. Общество переходит от традиционных производств, связанных с товаром, к индустрии знания, работающего на получение информации и экономию информационных средств. Отсюда задача совершенствования отношений между человеком и средствами информации. Изменения коснулись и средств передачи и переработки информации. В образовательных технологиях снижается роль личной беседы, лекции, общения с учителем. На смену им приходит дистанционное образование, использующее современные каналы связи и общемировые информационные ресурсы, например система Интернет. Человечество переходит от индустриальной эпохи к постиндустриальной, или информационной. Это
595

означает, что источники информации доступны любому человеку в любой части Земли. И наоборот — генерируемая людьми новая информация мгновенно становится достоянием всего человечества.
Полученный вывод, что самоорганизация есть результат собственного, внутренне необходимого изменения системы, распространяют и на общественные процессы. Фактически это переход от стихийной эволюционно-биологической организации к социально-организованному уровню материальных структур. Благодаря дальнейшему развитию общественно-трудовой деятельности, зачатки которой Кропоткин отметил в особенностях группового поведения животных, человечество от животной формы перешло к социальным формам взаимодействия с окружающей природой. Исследование закономерностей прогрессивной эволюции можно построить, выделив три положения: 1) усложнение организации биотической среды (взаимодействие живого с живым) — решающий фактор эволюции; 2) внутренние процессы, определяющие направление развития, есть результат предыдущих этапов развития; 3) антропогенный фактор имеет доминирующее значение в процессе эволюции. Изучение естественной предыстории человечества на основе представлений о самоорганизации систем открывает возможности создания целостной теории эволюции.
Академик Н.Н.Моисеев считал каждый ее этап бифуркационным, т.е. само развитие может в любой момент пойти непредсказуемым путем. Но с развитием интеллекта человек приобрел способность гибкого реагирования на внешнюю информацию, предвидения событий и принятия соответствующих решений. При возникновении новых общественных отношений был отброшен первобытный стадный коллективизм, преодоление которого шло скачкообразно, через диалектическое отрицание. Росли дифференцированность особей и групп, и эти «морфологические» изменения стали важнейшими.для обеспечения эволюционной эффективности форм интеграции. Больше шансов на оставление потомства имели как сильные особи, так и выделяющиеся по своим интеллектуальным и другим (личностным) особенностям индивиды, а также члены стада, выражавшие лучшие качества коллектива. В межстадных коммуникациях проявлялись свойства открытых систем, и межгрупповой отбор определял успех групп, которые были более передовыми в способах групповой организации: обеспечивали надежную природную основу для фиксации, накопления и передачи опыта в процессе социогенеза.
Высокая степень потенциальных возможностей человека и низкая степень их реализованности в случае неэффективной организации современного общества указывают на опасные тенденции развития. Оно может идти как в сторону саморазвития, так и в
596

сторону самораспада. Когда в XVIII в. Мопертюи выдвинул свой экстремальный принцип для величины, названной в механике действием, Эйлер отметил, что реальные траектории из всех возможных выбираются не обязательно по идее минимума действия вдоль них, возможен и максимум. Главное, что первая производная — нулевая, т.е. удовлетворяет условию экстремума. И, развивая аналогичную естествознанию схему, можно сказать, что в живой природе реальным оказывается максимум экстремума действия, а в неживой — минимум. Если обратиться, например, к книге «Поиски вымышленного царства» Л. Н. Гумилева, то в ней название каждой главы как бы отражает определенный уровень организации общества, пассионарность представляется физическим действием, а экстремальные ситуации в жизни общества сопровождаются состоянием крайнего дискомфорта. Перспектива движения к развитию или распаду определяется уровнем самоорганизации общества.
К числу критериев, определяющих высокий уровень самоорганизации и, следовательно, относительную устойчивость общественных систем, относят «способность системы противостоять деструктивным тенденциям и воздействиям окружающей среды, поддерживать определенное соотношение равновесных и неравновесных процессов, уровень градиентов и т.д.» В отличие от такой общественной системы малоэффективная организация существует только благодаря временным субъективным факторам или внешним условиям. При этом нарастают ее внутренние противоречия, а вмешательство в естественноисторический процесс происходит хаотически.
Развитие общества зависит от его самоорганизации, определяемой объективными и субъективными причинами. Из субъективных причин обычно выделяют содержание сознания, уровень образованности и меру интеллектуализации мышления, состояние духовного опыта и культуры. Процесс самоорганизации обеспечивается, как показывает исторический опыт человечества, самоуправлением при достаточной компетентности в осмыслении и оценке событий, определении путей и средств достижения цели. В этом случае происходит ориентация в сторону интересов развития общества, исключающая возможность подтасовки и обмана, рассчитанных на некомпетентность и неосведомленность большинства людей.
Логика самоорганизации общественного процесса отражает единство институтов культуры, политики и экономики, становится ведущей идеей человеческого взаимопонимания и общественного развития. В теории управления необходимо хорошо знать свойства объекта, его реакции на управляющие воздействия и умело направлять их на достижение поставленной цели. Понимание и формальное определение цели — задача не менее сложная, чем само управление. Нахождение компромисса при
597

многих противоречивых тенденциях в таких сложных системах, как «общество—окружающая среда», представляет собой один из примеров решения подобных задач. Существует раздел математики, посвященный анализу конфликтных ситуаций, где под компромиссом понимается коллективное решение, не нарушающее интересы всех сторон (устойчивость систем). История показывает, что неспособность достичь компромисса вызывала войны и другие конфликты, отбрасывавшие человечество назад.
Всякий компромисс достигается определенной последовательностью шагов и действий. Например, для разрешения экологических проблем необходимо учесть все ограничения, нарушение которых означало бы нарушение гомеостатического состояния. Это позволило составить формальную систему запретов, или минимум условий, необходимых для обеспечения гомеостазиса.
Современные проблемы сочетания противоречивых интересов в управлении экономикой, а также теория и практика военного дела вызвали к жизни математический аппарат описания конфликтных ситуаций вообще, т.е. общую стратегию. В 1944 г. в США была опубликована книга математика и физика Джона фон Неймана и экономиста Оскара Моргенштерна «Теория игр и экономическое поведение», в которой рассматривались вопросы математического описания способов принятия решений, типичных для конкурентной экономики. Впоследствии теория игр превратилась в общую математическую теорию конфликтов, описывающую экономические, военные и правовые коллизии, столкновения, связанные с биологической борьбой за существование, различные игровые стратегии. При использовании игр с противоположными интересами (антагонистическая игра) оптимальной считается стратегия, направленная на достижение максимального выигрыша. Конкуренция здесь является разновидностью конфликта. В центре внимания теории — оптимизированные правила поведения, ведущие к победе одной из сторон.
Вопросы для самопроверки и повторения

1. Охарактеризуйте биогеоценозный уровень организации живой материи. Дайте определения понятиям «биогеоценоз», «экологическая ниша», «биоценоз». Чем определяется их устойчивость, какие связи существуют между организмами в экосистеме?
2. Каково значение круговорота веществ для биосферы?
3. Назовите основные выводы учения Вернадского о биосфере.
4. Как формировался климат на Земле и каковы перспективы его изменения?
5. Какие факторы определяли изменение климата планет? Чем доказывается единовременное происхождение тел Солнечной системы? Каковы размеры «пояса жизни» в Солнечной системе?
6. Опишите этапы эволюции жизни до появления человека.

598

7.  В чем суть концепции коэволюции и как она развивалась? Как в ней
совместились взгляды Дарвина и Кропоткина?

1. Обоснуйте на основе эволюционных представлений о развитии структурных уровней организации живой материи становление ноосферы. Существует ли ноосфера в настоящее время?
2. Как происходила эволюция с позиции концепции коэволюции? Поясните выражение «Земля — живой организм». Как оценивается роль пассионариев по теории Гумилева и синергетики?

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука