Системный анализ - это направление методологии науч­ного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объекта как системы

Переход в эпоху ноосферы В. И. Вернадский рассмат­ривал как один из актов «приспособления» человечества. Все живые организмы приспособляются, но человек включа­ет в этот процесс разум.

Учение о ноосфере получило развитие в работах русских ученых М. М. Камшилова (1979), В. П. Казначеева (1985) и др. Современные ученые также рассматривают ноосферу как новую высшую стадию эволюции биосферы, связанную с возник-

Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере

новением и развитием в ней человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, создает техносферу и начинает оказывать определяющее влияние на ход биосферных и космических процессов.

Только недавно на идеи В. И. Вернадского стали опираться и зарубежные исследователи биосферы.

В этой связи интересно отметить уникальный эксперимент, проводимый в США с замкнутой биолого-технической системой «Биосфера-2», задуманной как микромодель «Биосферы-1», т. е. биосферы Земли. Ее разработчики Домон Аллен и Марк Нельсон (1991) во многом использовали концепцию ноосферы В. И. Вернадского, полагая, что с помощью разума возможно управление не только техносферой, но и биосферой. Модель отличалась от предыдущих микрокосмов размерами (площадь 1,3 га, объем более 180 тыс. м³) и разнообразием экосистем. «Биосфера-2» была изолирована от атмосферы и почвы, но энергетически открыта для солнечного излучения, т. е. для фотосинтеза. Она также имела электропитание для термо- и влагорегуляции и была связана с внешним миром информационно через компьютеры, теле- и радиосвязь. В модели имелись антропогенное крыло (сельскохозяйственный и жилой отсеки) и природ­ное крыло (тропический лес, саванна, болото, пустыня, океан). С инженерной точки зрения - это венец применения высоких технологий.

Однако результаты первого научного эксперимента, проведенного 8 испытателями в замкнутой «Биосфере-2» в течение двух лет, оказались не столь блестящи. Здоровью и выживанию экспериментаторов грозило и повышение концентрации С0₂, и катастрофи­ческое снижение 0₂, хронический недостаток калорий в пище и т. д. Эксперимент показал, что люди еще плохо знают, как действует наша глобальная система жизнеобес­печения - «Биосфера-1». Путь к ноосфере не так легок, как могло показаться. Пока мы не можем управлять даже маленькой «ноосферой», смоделированной человеком.

В обобщающем труде «Научная мысль как планетное явле­ние», написанном в 1938 г., а опубликованном впервые только в 1977 г., В. И. Вернадский предстает как великий оптимист в отношении будущего человечества. Он пишет, что взрыв научной мысли в XX столетии подготовлен всем прошлым биосферы, раз­витие не может остановиться или пойти назад.

Оптимизм В. И. Вернадского опирался на представления о том, что «наука - природное явление» и как один из способов приспособления человечества она не может «не сработать». Действительно, расшифровка основных взаимосвязей в природе на количественном уровне, определение управляющих факто­ров, исследование законов развития, разработка моделей био­систем всех уровней, вплоть до биосферного, создание высоких технологий, оценка устойчивости и экологической емкости эко-

Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере

систем, т. е. решение главных задач экологии - это и есть работа по становлению ноосферного мышления.

В наше время после выхода в космос энергетическая мощь технологических процессов в руках человека действительно сравня­лась с масштабом и мощью природных процессов. В болезнен­ной форме человечество начинает испытывать последствия проти­воречий между техногенной экспансией (лат. expansio - расширение,

захват) и ресурсами биосферы. Поэтому не все в полной мере разделяют оптимизм В. И. Вернадского. Так, академик Н. Н. Мои­сеев в статье «В. И. Вернадский и современность» (1994) писал, что у В. И. Вернадского и Тейяра де Шардена было больше оснований для оптимизма, чем у людей сегодняшнего дня. Тогда ничего еще не знали об атомном оружии, парниковом эффек­те, кислотных дождях, демографическом взрыве и других эколо­гических проблемах. Переход в эпоху ноосферы, вероятно, не будет таким плавным и безболезненным, как они предполагали. Мировое сообщество очень медленно приходит к осознанию того, что общая судьба человечества зависит не от политических, государственных и национальных амбиций, а от угрозы само­уничтожения в планетарной экологической катастрофе. Рано или поздно человечеству придется согласовать свои потребности с возможностями биосферы. По существу, придется обратиться к новой нравственности в своей жизни, так как духовный мир должен превратиться в фактор, определяющий развитие и выжива­ние человечества. Это будет новый этап эволюции Homo Sapiens.

Выбор стратегии взаимодействия человека с биосферой, формирующейся как «модель устойчивого развития» - это и есть ноосфера В. И. Вернадского. Но при наличии современного ядерного оружия движение к ноосфере не может занимать тысячи и даже сотни лет. Для такого перехода остаются десяти­летия. Несомненно, эволюционный процесс идет, «природные явления действуют». Признаки этого движения видны: это ресурсо­сберегающие и энергосберегающие технологии; перестройка экономики; стремительное развитие коллективного интеллекта,

Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере

основанного на новых средствах коммуникаций и возможностях компьютеризации; постепенный поворот в сознании ученых, по­литиков и простых людей в сторону экологического мировоззре­ния, перевод экологических ценностей в экономические катего­рии и многое другое. Но хватит ли у людей времени? Не разразится ли катастрофа раньше?

Контрольные вопросы

1. Кто ввел в науку термин «биосфера»? Когда впервые исполь­зовал его В. И. Вернадский?

2. Назовите основные оболочки Земли.

3. Чем отличается земная кора от мантии и ядра?

4. В пределах каких земных оболочек расположена биосфера?

5. Чем отличается биосфера от других геосфер?

6. Дайте определения атмосферы, гидросферы, литосферы.

7. Какие космические лучи губительны для живых организмов?

8. Как образовался озоновый экран, какова его роль?

9. Какие космические излучения являются источником жизни на планете?

10. Какие живые организмы могут непосредственно использо­вать солнечную энергию?

11. В чем основное отличие «живого вещества» от «косного»?

12. Какие ограничения имеет распространение жизни на Земле?

13. Каковы были взгляды В. И. Вернадского на возникновение жизни на планете?

14. Возможен ли абиогенез на Земле с позиций современной науки?

15. Каковы основные этапы эволюции «живого вещества»?

16. Были ли экологические кризисы в доисторические времена?

17. Кто ввел в науку термин «ноосфера»?

Глава 6. В. И. Вернадский о биосфере

18. В чем основной смысл учения В. И. Вернадского о ноосфе­ре?

19. Каковы современные представления о ноосфере?

ГЛАВА 7

МЕТОДЫ

ИЗУЧЕНИЯ

ЭКОСИСТЕМ

Глава 7. Методы изучения экосистем

7.1. Натурные наблюдения и эксперименты
Признание экосистем предметом экологии и принцип эмерджентности неизбежно приводят к необходимости использовать в качестве методологической основы науки экологии системный анализ и междисциплинарный синтез явлений.

Важные положения системного подхода были сформулирова­ны учеными еще в XVIII - XIX веках. Так, Ю. Либих в 40-х годах прошлого столетия писал: «Мы рассматриваем природу как одно целое, и все явления представляются нам взаимосвязанными, как узлы в сети. Исследовать явления - это значит отыскать те нити, посредством которых данный узел в сети связан с двумя или тремя другими».

Системные принципы исследований завоевывали признание только во второй половине XX века, с развитием инструменталь­ных и дистанционных методов наблюдений и вычислительной техники, давших возможность изучать природные и социальные сообщества как целостные системы на количественном уровне, а также с проникновением в биологию идей кибернетики.

Системный подход в экологии состоит в определении составных частей экосистемы; установлении совокупности внутренних связей; а также связей между экосистемой и средой за ее пределами, т. е. на входе и выходе системы; нахождении законов функ­ционирования и их изменений в результате внешних воздействий.

Для решения этих основных задач в арсенале современной экологии выделяют три главные группы методов: 1) натурные наблюдения; 2) эксперименты; 3) моделирование.

■ Натурные наблюдения в природе - исторически первый прием экологического исследования.

Эти исследования прошли длительный путь развития - от красоч­ных описаний картин природы до современных комплексных

Глава 7. Методы изучения экосистем

программ изучения экосистем с помощью новейшей аппаратуры и космических спутников. Вот, например, что писал в начале века Ш. Брэм (1901) о птицах: «Ни одно живое существо не живет такой полной жизнью, как птица, и не умеет так хорошо пользоваться своим временем. Самый длинный день кажется ей слишком коротким, самая короткая ночь - слишком длинною; вечно подвижная, она не проводит половины своей жизни в мечтаниях или во сне; она желает бодро, жизнерадостно, весе­ло проводить время, которое ей суждено прожить».

В практике же современных экологических исследований мо­жет использоваться сложнейшая трехуровневая система наблю­дений. На рис. 7.1, например, приведена схема контроля эко­логического состояния водоема с использованием космических аппаратов, аэрофотосъемок, автоматических самописцев и дру­гих дистанционных и инструментальных методов.

Однако, несмотря на совершенствование технических средств натурных исследований, попытки объединения разных специали­стов под флагом комплексных исследований (до последних лет не связанных общей теоретической и методологической концеп­цией) долгое время приносили скудные результаты из-за отсут­ствия системного анализа данных. В лучшем случае они завер­шались публикацией научного сборника, в котором независи­мо сосуществовали статьи по ботанике, зоологии, микробио­логии, химии, гидрологии, метеорологии и другим дисципли­нам, но отсутствовал междисциплинарный синтез.

Прогресса натурные экологические исследования достигли лишь в конце 70-х годов, с развитием международных программ, которые предусматривают всесторонние глобальные наблюдения за характерными типами экосистем, исследования на специальных полигонах и их междисциплинарный синтез.

Эксперименты широко применяют в экологии, как и в других естественных науках. Отличие эксперимента от наблюде­ния состоит в том, что исследователь сознательно вносит опреде­ленные изменения в экосистему и далее следит за ее ответной

Глава 7. Методы изучения экосистем

Рис. 7.1. Схема трехуровневой системы наблюдений (по Б. П. Усанову, 1992): ЦПОД -центр подготовки и обработки данных

Глава 7. Методы изучения экосистем

реакцией. Например, слежение за перемещением стада оленей в естественных условиях с помощью вживленных в тело животных миниатюрных радиопередатчиков является не экспериментом, а всего лишь наблюдением. В то же время регистрация (даже без всякой аппаратуры) численности того же стада после введения искусственной подкормки будет экологическим экспериментом.

Обычно эксперименты делятся на лабораторные и полевые.

В лабораторных экспериментах можно обеспечить конт­роль большого числа факторов, исключив воздействие неконтроли­руемых.

Классической схемой проведения лабораторных опытов является однофакторный эксперимент, когда изучается влияние избран­ного фактора при фиксированных значениях всех остальных. Однако при изучении биологических объектов (в отличие от физических) однофакторный эксперимент малоэффективен, так как поведение биосистем зависит от комплекса факторов. Поэ­тому лишь многофакторные эксперименты с предварительным планированием могут дать удовлетворительные результаты в эко­логии.

Многие ученые справедливо поднимают вопрос о том, в какой степени выводы, полученные в лабораторных условиях, можно применить к реальным экосистемам; они считают, что экспериментатор, меняя условия опыта, в лаборатории может достичь заранее запрограммированного результата. Так, можно получить самые разные значения допустимых концентраций ток­сичных веществ в воде, если варьировать условия содержания организмов, на которых проводятся опыты; при этом влияние тех же веществ на те же организмы и в тех же дозах в естественных условиях водоема будет отличаться от их влияния в лаборатор­ных условиях. Поэтому в арсенале экологии лабораторные экс­перименты играют второстепенную роль.

В естественных полевых условиях возможности эксперимен­татора контролировать экологические факторы ограничены. На­пример, исследовать влияние режима работы гидроэлектростанции

Глава 7. Методы изучения экосистем

на гидрологию реки очень сложно, так как динамика процессов разворачивается на фоне погодных, биологических и антропо­генных влияний.

Но эксперименты в природных условиях имеют огромное значе­ние в экологических исследованиях, несмотря на то, что «в нату­ре» не может быть обеспечен высокий уровень контроля эксперимен­татора за всеми факторами внешней среды.

В качестве примера можно привести крупномасштабный уни­кальный эксперимент в природных условиях, осуществленный в
Санкт-Петербурге в 1992 г. для оценки возможности управления эко­логическим состоянием Невской губы и восточной части Финского залива с помощью затворов водопропускных отверстий комплекса защитных сооружений (КЗС) города от наводнений (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Створ строительства (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений: В-1 - В-6 - водопро­пускные отверстия; Д-1 - Д-11 - дамбы; С-1, С-2 - судопропускные отверстия

Глава 7. Методы изучения экосистем

Сама идея возможности разрушать малопроточные зоны в Невской губе, смещать потоки сточных вод, интенсифицировать процессы самоочищения и управлять экологическим состоянием водоема путем маневрирования затворами возникла еще на ста­дии проектирования. Однако проверка ее с помощью математичес­кого и гидравлического моделирования приводила к противоречи­вым результатам. Дать четкий ответ могли лишь натурные испытания.

В эксперименте приняли участие 16 институтов и организаций. В программу исследований входили: гидрологические наблюдения; анализ качества воды по многим гидрохимическим и бактериоло­гическим показателям; гидробиологические и ихтиологические ис­следования; аэрокосмические наблюдения; наблюдения за распре­делением загрязняющих веществ от городских очистных станций с помощью трассеров; исследования химического состава и бактери­ологического загрязнения донных отложений и др.

Были задействованы все возможные технические средства: аэрофотосъемка, инструментальные методы для замеров гидрофи­зических характеристик, стационарные автоматические самопис­цы расходов воды и скоростей течения, современные методы химического анализа воды и донных отложений и новейшие способы оценки ее качества. Результаты исследований обрабаты­вались и анализировались с помощью компьютерной техники. Были проведены 2234 замера скоростей (самописцы работали более 2000 часов), отобраны более 1500 проб воды на 46 стан­циях и 360 проб донных отложений. Выполнено свыше 12000 раз­личных анализов, 6 аэрофотосъемок. Работы велись на 5 специ­ально оборудованных плавсредствах при различных регламентах перекрытия водопропусков. Проведенные исследования подтвер­дили наличие принципиальной возможности управлять экологи­ческим состоянием акватории путем маневрирования затворами водопропускных отверстий. При этом при необходимости можно подбирать схему и регламент перекрытия водопропусков, улуч­шающих экологическую ситуацию в той или иной части водной системы.

Глава 7. Методы изучения экосистем

Непреднамеренные «эксперименты», которые явились следствием естественных процессов или деятельности человека, вносят немалый вклад в познание природы. Например, образование или исчезновение островов, заселение лавовых полей, потепле­ние и похолодание, изменение русел рек - «эксперименты», поставленные самой природой. Непреднамеренные антропогенные «эксперименты» - это вся история развития цивилизации.

Значение натурного эксперимента в экологии чрезвычайно велико. Однако экологический эксперимент наиболее эффекти­вен в сочетании с третьим важным методом - моделированием, который заслуживает специального рассмотрения.

7.2. Моделирование Под моделированием понимается изу­чение экологических процессов с по­мощью лабораторных, натурных или математических моделей. Модели биосистем столь многочисленны, что классификация их почти невозможна.

Дата добавления: 2014-11-18