Глава шестая БИОСФЕРА И ТЕХНОСФЕРА

Глава шестая

БИОСФЕРА И ТЕХНОСФЕРА

Биосфера и её основные параметры

Как подчеркивал В. И. Вернадский [1], развитие человеческого мышления и все возрастающее его воздействие на окружающую среду – через порождаемые им технологии – следует рассматривать как природное явление, как неизбежное следствие цефализации. Эти процессы и привели к формированию техносферы – создаваемой самим человеком среды его обитания. Взаимоотношения биосферы и техносферы, в связи с грозящим Земле экологическим кризисом, являются сейчас объектом пристального внимания самых разных специалистов. Попробуем сформулировать на этот счет свою точку зрения, основанную на изложенных выше представлениях о природе информации и закономерностях динамики информационных систем.

Следуя традиции, биосферой будем называть всю населяющую Землю биоту (т. е. совокупность всех микроорганизмов, грибов, растений и животных) и среду ее обитания, включая почвенный покров и содержащие признаки жизни слои атмосферы. Накануне появления человека биосфера по своим основным параметрам вряд ли существенно отличалась от нынешнего ее состояния. Более того, такие ее характеристики, как общая масса живого вещества (порядка 2,4·10¹⁸ г); элементарный состав биомассы (азот – около 0,3%, углерод – около 3%, кислород – около 75%, водород – 10% и т. д.); содержание кислорода в атмосфере (около 21%, а всего порядка 1,2·10²¹ г); скорость круговорота слагающих ее атомов (для углерода, например, среднее время пребывания одной молекулы СО₂ в атмосфере равно десяти годам); количество достигающей Земли солнечной энергии (167 ккал·см^-2тод^-1) – сохранялись неизменными, вероятно, на протяжении сотен миллионов лет [2-4]. Эта стабильность основных параметров биосферы обусловливается, с одной стороны, постоянством потока солнечной энергии, а с другой – развитой системой взаимоотношений между слагающими биосферу живыми компонентами, выполняющими определенные функции в "работе" по ее стабилизации (см., напр., [5]).

Косные и живые компоненты биосферы

Биосферу в целом можно подразделить на косные и живые компоненты. Косные компоненты – это химические соединения и физические тела, не входящие в данный момент времени в состав живых организмов. Это, прежде всего, газы, находящиеся в свободном состоянии (в атмосфере) или растворенные в водных бассейнах, вода в виде водяного пара, рек, озер, морей, океанов и ледников, различные неорганические и органические соединения, растворенные в этой воде и накапливающиеся в донных отложениях и почве, еще не претерпевшие полной деструкции отмершие компоненты живых организмов (листья, сучья, сброшенная при линьке шерсть и т. п.) и трупы самих этих организмов (от вирусов и бактерий до слонов и баобабов). По самой приблизительной оценке косные компоненты составляют более 99%, а на живые приходится меньше 1% от общей массы биосферы. Косные компоненты распределены по всей биосфере относительно диффузно. Значительное количество их включено в постоянный биологический круговорот, т. е. периодически входят в состав биоты. Химические соединения, выходящие из биологического круговорота и слагающие мощные осадочные породы, будем считать находящимися вне пределов биосферы.

В отличие от косных компонентов, живые компоненты биосферы четко структурированы. Элементарными структурами биосферы являются биоценозы, слагаемые, в свою очередь, трофически взаимодействующими популяциями, состоящими из отдельных индивидуумов.

По примерным данным, около 1% от всей биомассы Земли приходится на микроорганизмы и животных (2,3·10¹⁶ г), около 99% ? на зеленые растения (2,4·10¹⁸ г). Только 0,13% биоты обитает в океанах, а остальные 99,87% ? на континентах. В настоящее время на Земле известно около 100 тыс. видов микроорганизмов (бактерии, простейшие, грибы и водоросли), 150 тыс. видов высших растений и 1 млн. видов животных, из которых более 800 тыс. приходится на членистоногих. В отдельные биоценозы входят десятки и сотни взаимодействующих друг с другом видов, представленных популяциями, состоящими из сотен (для животных), тысяч (для растений) и миллионов (для микроорганизмов) особей. Жизнедеятельность этих последних (т. е. отдельных индивидуумов) и обусловливает, в конечном счете, стабильность характеристик биосферы и ее элементный состав.

Круговорот веществ в биосфере и факторы, его обусловливающие

Как мы уже отмечали, характерной особенностью элементного состава биосферы является его постоянный круговорот, т. е. переход из косного в живое и обратно. Можно полагать, что различные химические элементы, захваченные в период становления биосферы вихрем этого круговорота, лишь медленно вырываются из него, устремляясь в космическое пространство (молекулы газов) или выделяясь в виде водонерастворимых соединений, слагающих осадочные породы (известняки, сланцы), а также залежей углей, нефти и некоторых рудных месторождений. Столь же медленно им на смену в биосферу включаются новые атомы, извлекаемые хемотрофами из основных пород. Многократное "пропускание" через биологические компоненты одних и тех же атомов вещества есть один из основных законов функционирования биосферы. Но общее количество вещества, находящегося в "обороте", ограничено. Именно это, по-видимому, налагает основные ограничения на изменения количества живого вещества на нашей планете, определяя его постоянство.

Круговорот атомов в биосфере определяется тремя основными факторами: метаболизмом организмов, их размножением и их отмиранием. Во время становления биосферы, когда биомасса живого вещества возрастала, стремясь к своему пределу (на котором находится и по сей день), размножение, в общем, преобладало над гибелью и сопровождалось ростом дифференциации организмов по их трофическим функциям, т. е. увеличением числа видов. Этот период характеризовался вовлечением все большего количества атомов косного вещества в биологический круговорот. Однако по мере формирования биосферы, наряду с продолжающимися сменами ее видового состава и формированием все новых вариантов биоценозов, общая масса биоты возрастала все медленнее и наконец стабилизировалась на современном уровне. Произошло это не менее чем 2-3 млрд. лет тому назад.

Что положило предел этому процессу? Было ли это пределом возможности использования солнечной энергии или пределом доступности первичных источников атомов? Или это – гигантский аналог равновесия химических реакций, когда количество вновь синтезируемого продукта сравнивается с количеством разрушающегося? Или – результат насыщения "емкости" жизненного пространства? Как бы то ни было, можно полагать, что стабилизация количества биомассы на Земле была тесно связана с ускорением образования новых видов, т. е. с ускорением процесса эволюции.

Популяции

Эволюционирующими единицами являются не отдельные индивиды, а популяции [6], которые образуют информационные системы 1-го рода.

Как мы помним, каждый живой организм представляет собой информационную систему 1-го рода, состоящую из генетической информации и кодируемых ею операторов – его цитоплазматических и соматических компонентов. Популяции живых организмов составлены из множества информационных систем – организмов, связанных общностью происхождения и вписанных в тот или иной биоценоз, составляющий, вместе с окружающей средой, их экологическую нишу. Популяции организмов одного и того же вида могут быть включены не только в идентичные, но также в различающиеся биоценозы, в чем проявляется полипотентность присущей им генетической информации.

Каждую популяцию, из каких бы организмов она ни состояла, можно охарактеризовать двумя параметрами: средним временем ?₁ удвоения числа слагающих ее особей в условиях данной экологической ниши s и средней продолжительностью их жизни ?₂, в данных условиях. Параметр L = ?₁/?₂ = V_P/V_r отражает надежность системы в условиях s, обусловленную особенностями организации операторов Q1 и, следовательно, задаваемую кодирующей их генетической информацией I. Если ?1> ?2, (т. е. L > I), то, благодаря размножению организмов, происходит возрастание численности слагаемой ими популяции; при ?₁= ?₂ ( L = 1) наблюдается простое их воспроизведение, и численность популяции сохраняется на некотором постоянном уровне; в случае же ?₁< ?₂ ( L < I) преобладает отмирание, и численность популяции уменьшается.

Заметим, что при L = 1 состояние системы, представленной популяцией данных организмов Q₁, становится нестабильным, точнее ? губительным для этой популяции: любые флуктуации среды обитания, в том числе сдвиги внутри экосистемы, вызывающие даже временное превышение ?₂, по сравнению с ?₁, будут приводить систему к гибели.

Существует давно сформулированная теорема [7], согласно которой при L = 1 популяция обречена на гибель по чисто внутренним причинам. С течением времени численность такой популяции все более флуктуирует, и, когда она приблизится к нулю, популяция исчезнет. Конечно, время гибели популяции при L = 1 сильно зависит от ее исходной численности, но результат остается неизменным: даже при сколь угодно большой исходной численности п₀ популяции при t ® ? вероятность ее выживания р ® 0. Конечно, уменьшение ?₂, ускорит наступление гибели популяции. Поэтому можно утверждать, что стабильность или надежность популяции определяется неравенством L > 1 и тем выше, чем больше величина параметра L [8].

Давление жизни и жизнеспособность популяций

Утверждение, что при L = 1 информационная система обречена на гибель, очень сильное и поэтому требует специального обоснования. Условие L > 1 означает, что численность объектов, представляющих данную информационную систему, возрастает в геометрической прогрессии. В действительности, как мы знаем, этого не происходит – численность природных популяций в среднем стабильна. Значит, отношение L > 1 равносильно "давлению жизни" и отражает ту "силу", с которой данная популяция как бы противостоит разрушительному воздействию на нее различных внешних "помех".

Если численность популяции, по каким-либо причинам, снизилась ниже некоторого критического уровня, такая популяция, как правило, деградирует и исчезает. Только условие L > 1 позволяет популяции сохранять свою численность выше критического уровня при усилении давления извне (усилении помех) и достигать оптимального значения при ослаблении такого давления. В случае же L = 1 ослабление давления среды не будет сопровождаться ростом численности популяции, а любое усиление помех будет приводить к уже некомпенсируемому уменьшению ее численности и, в конце концов, к ее вырождению.

Экосистемы, их компоненты и характеристики

Чтобы яснее представить себе положение популяций в экосистемах, вспомним одно из основных свойств любого целенаправленного действия ? сопровождающее его производство побочных продуктов w.

Компоненты, слагающие побочные продукты, по определению не могут быть реутилизированы образующими их в процессе своей жизнедеятельности организмами. Если w "обезвреживаются" в s, они не будут угрожать существованию своих "продуцентов". Но если w накапливаются в s, это неизбежно приведет к "отравлению" среды обитания таких продуцентов и, как следствие, к гибели их популяции, даже при избыточном содержании в этой среде ресурсов, необходимых для их самовоспроизведения: ни один организм не может существовать в среде, перегруженной отходами его жизнедеятельности [9].

Таким образом, условиями существования самовоспроизводящихся информационных систем являются: неуменьшение ресурсов R данной среды обитания s ниже некоторого предела, и неувеличение содержания в ней побочных продуктов w выше некоторого порогового значения.

Таким образом, w представляет собой биогенный компонент среды обитания организмов, угрожающий существованию тем из них, которые его производят.

Но это – лишь один аспект w. Второй его аспект ? это то, что w, в принципе, могут быть утилизированы другими организмами, кодируемыми информацией с большим значением В и способными разрабатывать экологическую нишу более высокого яруса жизни (см. главу 5). Если бы этого не происходило, то, сколь бы велико ни было жизненное пространство s, со временем оно оказалось бы перегружено продуктами жизнедеятельности организмов исходной популяции и вместо "кишащего жизнью бассейна" превратилось бы в "выгребную яму".

Однако возникновение (или миграция из других местообитаний) в зоне 5 организмов, способных утилизировать w, сопутствующие жизнедеятельности ее аборигенов, будет приводить к формированию сообщества из двух популяций организмов. Альянс окрепнет, если продукты жизнедеятельности новичков окажутся в какой-либо мере "полезными" для аборигенов. Так сформируется простейшая экосистема, численность обитателей которой (или, точнее, плотность заселения) будет регулироваться обратными связями. Очевидно, что число живых компонентов экосистемы, т. е. число слагающих ее популяций организмов разных видов, может быть сколь угодно велико, но в реальных ситуациях будет определяться ее емкостью, запасами ресурсов R и трофическими взаимодействиями ее обитателей. Реальные экосистемы или биоценозы могут содержать сотни компонентов [9].

Таким образом, важнейших характеристик экосистемы две: число слагающих такие экосистемы видов N и средняя численность особей в представляющих эти виды популяциях ni (i = 1, 2, ..., N).

Направления эволюции экосистем

Любую экосистему можно определить как систему самовоспроизводящихся популяций, занимающих единый ареал обитания и выполняющих две основные функции. Первая – обеспечение прироста численности популяций ("давление жизни"), или общей биомассы V экосистемы (продуктивность данной экосистемы):

. Вторая функция – кондиционирование, или очистка среды обитания от побочных продуктов

(i = 1, 2, ..., N). Очевидно, чем больше скорость утилизации отходов, тем лучше условия для прироста биомассы, т. е. тем сильнее будет давление жизни.

Условие равновесного существования экосистемы можно сформулировать как (22)

Оптимальным, по крайней мере для замкнутых экосистем с постоянным местообитанием, будет условие, когда кондиционирующая мощность экосистемы превосходит ее продуктивность, что соответствует поддержанию экосистемы в состоянии "максимальной чистоты".

Неравенство (22) представляет собою условие, определяющее направление эволюции популяций, слагающих любые экосистемы.

Это условие может реализоваться двумя путями: путем расширения ареала обитания данной экосистемы (экстенсивный путь ее развития) и путем увеличения ее кондиционирующей мощности (интенсивный путь). Третий возможный путь усиления неравенства (22) – уменьшение продуктивности экосистемы – нельзя считать приемлемым: уменьшение продуктивности может осуществляться лишь ценой понижения давления жизни слагающих экосистему популяций, что, как мы видели, чревато их деградацией и гибелью.

Так как в реальных ситуациях ареал обитания любой экосистемы всегда ограничен, то с течением времени на смену ее экстенсивный развитию, или экспансии, неизбежно должен прийти интенсивному путь, реализующийся через все большую "пришлифовку" друг к другу слагающих экосистему популяций. Это, кстати, и реальный путь эволюции видов, "эволюционирующими единицами" которых, как мы уже упоминали, являются именно популяции. Этот путь развития можно характеризовать изменениями числа и численности слагающих экосистему популяций.

Надежность экосистем, биоценозов и биосферы

Для любой экосистемы, представляющей собой совокупность N популяций разных видов, будет справедливо соотношение (23)

где V – биомасса данной экосистемы, G – константа скорости прироста биомассы, g - скорость потери биомассы, а ? и ? - параметры, отражающие конкуренцию в этой системе. Это соотношение, по существу, является условием надежности экосистемы. Несколько ( N) экосистем, связанных общим местообитанием, образуют один биоценоз. Для процветающего биоценоза справедливо неравенство (24)

Биоценоз как самоорганизующаяся система, состоящая из нескольких экосистем, может достигнуть стабильности и замкнутости при условии (25)

когда скорость прироста биомассы в каждой экосистеме и популяции равна скорости образования побочных продуктов в режиме их реутилизации.

Заметим, что условие стабильности биоценозов, в отличие от условия стабильности популяций, когда ?₁ = ?₂ не является для биоценозов пагубным, а напротив, это единственный залог их нормального функционирования. Это же справедливо и для всей биосферы, представляющей собой саморегулирующуюся и самостабилизирующуюся совокупность всех населяющих Землю биоценозов. При этом должно соблюдаться соотношение (26)

где n - численность каждой из N популяций (i = 1,2,... N), слагающих биосферу; G_i, и D_i – скорости размножения и гибели особей, входящих в эти популяции; Ui – параметр конкуренции особей i-ой популяции между собой; ?ⁱ_,j - представленный в виде матрицы параметр, характеризующий взаимную утилизацию отходов организмами i-ой и j-ой популяций.

Соотношение (26) – условие стабильного функционирования совокупности экосистем, состоящих из большого числа видов, в том числе и всей биосферы. Очевидно, что надежность ? этого функционирования обеспечивается надежностью выполнения как функций продуктивности (?), так и функций кондиционирования (?). Поэтому общая надежность может быть определена как произведение надежностей выполнения обеих функций, т. е. как ? = ?·?-ф.

Из сказанного выше следует основное требование к особенностям деятельности "функциональных аналогов", т. е. популяций разных видов, выполняющих в биоценозе или биосфере сходные экологические функции: функциональные аналоги могут заменять друг друга в данной экосистеме лишь при условии ?? ?_0. В противном случае (т. е. если ?? < 0) такая замена окажется неполноценной и будет приводить либо к деградации, либо к перестройке любого биоценоза, а в общем случае – и всей биосферы.

Популяции в экосистемах: ограничения их численности и направления эволюции

Вернемся теперь к отдельным популяциям, составляющим экосистемы. Заметим, прежде всего, что экосистемы, как и экологические ниши, для разных организмов чаще всего перекрываются, но не полностью совпадают. Для биосферы в целом характерна иерархическая структура, так что обитатели верхних ярусов жизни, как правило, венчают собой или объединяют по нескольку экосистем, представленных обитателями низлежащих ярусов.

Законы, управляющие динамикой популяций разных организмов, едины, независимо от того, какую функцию они выполняют в биосфере и на каком уровне организации (и ярусе жизни) они находятся, т. е. будь это хемотрофы, ауксотрофы или гетеротрофы, продуценты или консументы, микроорганизмы, высшие растения, беспозвоночные или млекопитающие. Обусловлено это тем, что, независимо от видовой принадлежности, ни один организм не в состоянии выполнять обе основные функции в своей экосистеме – и функцию производства биомассы, и функцию утилизации побочных продуктов своей жизнедеятельности.

Обозначив численность популяции через п, напишем следующее уравнение (27):

где G – коэффициент размножения данных организмов, D – средняя скорость их отмирания, a U – параметр конкуренции их друг с другом за среду обитания, питание и т. п. Показатель степени ? при п отражает форму зависимости показателя конкуренции U от п, а член Un? есть обобщенное выражение для обратной связи в популяции. Подчеркнем, что уравнение (27) не относится к человеку, ставшему на техногенный путь развития, ибо в этом случае параметр конкуренции может иметь совершенно иную связь с численностью популяции п, нежели в случаях других обитателей биосферы.

Следует отметить, что величина ? может быть как больше, так и меньше нуля. Если в первом случае (? > 0) это отражает возрастание внутривидовой конкуренции с увеличением п (например, борьбу за территорию), то во втором случае (? < 0) это будет отражать существование взаимопомощи между членами данной популяции. Поэтому особый интерес представляет зависимость ? от п для разных видов.

Выражение (27), связывающее через D, U и ? динамику размножения (или роста численности) популяции с состоянием (или статусом) включающей ее экосистемы, означает, что в любой реальной ситуации – в реальном биоценозе или биосфере в целом – рост численности популяций всегда и неизбежно ограничен: при (G- D) п = Un? прирост популяции dn/dt = 0.

Выше мы видели, что условие dn/dt =0 есть условие нестабильности состояния популяции. В случае сохранения постоянства других параметров экосистемы популяция при dn/ dt = 0 была бы обречена на вымирание. Однако, благодаря наличию в любой экосистеме обратных связей, уменьшение численности данной популяции (если оно не ниже критического) неизбежно будет приводить к такому изменению статуса экосистемы, при котором условия обитания этой популяции опять сдвинутся в "благоприятную" сторону, что приведет к увеличению ее численности, за чем последует ее уменьшение, затем – опять увеличение и т. д. В реальной ситуации это будет проявляться как "волны жизни" [10], простейшей моделью которых может служить система "хищник-жертва" [11]. Поэтому в любой стабильной экосистеме численность любой популяции будет всегда колебаться около некоторого константного значения, задаваемого сформулированным выше правилом (27), не выходя за определенные максимальные и минимальные пределы.

В более общем виде эту закономерность можно сформулировать как принцип, согласно которому совокупность или биомасса особей, выполняющих в данной экосистеме данную трофическую функцию, никогда не может превзойти некоторое критическое значение без разрушения этой экосистемы. Принцип этот, как мы увидим ниже, особенно ярко выявился на примере эволюции человека.

Все сказанное выше позволяет утверждать, что для любой стабильной экосистемы, биоценоза или биосферы биомасса организмов, выполняющих определенную трофическую функцию, всегда ограничена сверху некоторой критической величиной. Взаимоотношения организмов, выполняющих в данной экосистеме одну и ту же трофическую функцию, могут повлиять на их видовое разнообразие, на замену одних видов другими (за счет эволюционного процесса или миграции извне), но не в состоянии привести к увеличению их суммарной биомассы сверх некоторого предела без разрушения этой экосистемы, биоценоза или биосферы в целом.

Таким образом, для любой экосистемы всегда существуют два предельно допустимых максимальных уровня численности любой популяции: нижний, соответствующий максимальному видовому разнообразию организмов, выполняющих данную трофическую функцию, и верхний, соответствующий монополизации этой функции каким-либо организмом. Однако, в силу того, что не существует двух разных видов, которые были бы идентичными во всех эколого-трофических отношениях, для всех биоценозов и биосферы в целом справедливо следующее правило. Первому случаю будет соответствовать максимальная "забуференность", стабильность или надежность (?) экосистемы. Второй случай, когда данная трофическая функция монополизируется представителями какого-либо одного вида, будет неизбежно сопровождаться уменьшением надежности экосистемы – уменьшением объема пространства режимов, где данная экосистема может стабильно функционировать.

Если принять, что надежность любой биологической системы является весомым фактором, определяющим ее динамику, то из сказанного следует, что в достаточно развитой и достаточно обширной (т. е. характеризующейся большим числом степеней свободы) биосистеме (биоценозе или биосфере) можно выделить два наиболее общих направления эволюции слагающих ее компонентов, т. е. популяций и видов живых организмов.

Первое направление – это все большая специализация внутри данной экологической ниши, точнее – внутри данной экосистемы, что обогащает ее трофическими аналогами и делает тем самым более стабильной, более надежно обеспечивающей условия, необходимые для процветания данной экосистемы. Этот путь эволюции чаще всего имеет идиоадаптивный или даже регрессивный характер, так как может быть связан с упрощением организации. В любой эволюционирующей экосистеме такое обогащение трофическими аналогами может идти до тех пор, пока не нарушится условие (28)

где N – число трофических аналогов, n_i– численность популяции i-го трофического аналога (i = 1, 2, .... N), V_i – средняя биомасса одного его представителя, V^общ – общая биомасса организмов, выполняющих в экосистеме данную трофическую функцию, а n_i^общ - минимальная численность популяции i-го организма, еще совместимая с его жизнеспособностью. Условие (28), таким образом, определяет максимально-возможное число трофических аналогов для разных трофических функций, выполняемых данной экосистемой.

Второе направление – это расширение среды обитания, вовлечение в свою экосистему все большего числа соподчиненных экосистем. Это будет обеспечивать увеличение количества потенциальных источников жизнеобеспечения и возможность более эффективной нейтрализации побочных продуктов жизнедеятельности представителей таких видов. Это направление эволюции обычно связано с повышением уровня организации живых организмов. Это, как мы уже отмечали, – путь биологического прогресса. В основе его, как правило, лежат араморфозы.

В условиях реальной жизни на нашей планете биологическая эволюция использовала обе рассмотренные выше возможности: и формирование узко специализированных видов, и путь биологического прогресса, связанный со все большим расширением ареала обитания. Наиболее крупным достижением биологической эволюции, шедшей по второму пути, было возникновение человека.

Появление человека. Речь и её роль в динамике информации.

Человек, как биологический вид, сложился, видимо, несколько миллионов лет назад, в конце третичного периода [12], как результат биологической эволюции по пути расширения ареалов обитания.

Возникновению человека предшествовал длительный процесс эволюции информации и кодируемых ею операторов (см. главу 5). Количество ДНК – носителя генетической информации – в этой линии филогенеза возросло в ходе эволюции в миллионы раз, а емкость новых, генетически кодируемых носителей информации нервных структур головного мозга во много раз превысила количество требуемой для их построения генетической информации. Но объекты, располагающие только развитым головным мозгом, все еще оставались биологическими объектами, хотя и чрезвычайно сложно организованными. Таковы все млекопитающие, в том числе и приматы.

Появление человека среди приматов было обусловлено не столь уж существенными, но имеющими принципиальное значение изменениями структуры головного мозга и некоторых других анатомических особенностей – такими изменениями, которые сделали возможной замену звуковых сигналов словами. Это, конечно, еще один пример поризма в эволюции. Возникновение речи, сперва устной, а затем и письменной, и положило начало человеческой истории [13].

Именно речь позволила человеку вырваться из разряда биологических объектов. "Могут ли животные думать? Решать логические задачи? Свойственно ли им абстрактное мышление? Подобные человеческим эмоции?" – ответы на такие вопросы не столь уж важны, – не в этом, не в степени выраженности таких различий лежит пограничная линия. Только у людей индивид А может сообщить индивиду В то, что узнал от индивида С, – больше нет живых существ, на это способных. Возможность передачи информации друг другу посредством речи – это и есть специфическое свойство человека.

В известной мере общение посредством слов, заимствованных у человека, возможно и у животных (например, у попугаев, обезьян), особенно когда такой речевой контакт устанавливается между животными и человеком. Но только благодаря речи информация впервые получила возможность стать независимой от ее непосредственных носителей, точнее – от основанных на ней информационных систем 1-го рода. Благодаря речи сведения, накапливаемые отдельными индивидуумами, получили возможность распространяться на неограниченные расстояния в пространстве и во времени, периодически обретая существование в форме колебаний воздуха (устная речь), а с изобретением письменности – в форме знаков на глиняных табличках, коре деревьев или листах бумаги. Теперь сведения или другие виды умозаключений, возникающие случайно и редко, могли концентрироваться у единичных индивидуумов, а от них быстро передаваться всем "заинтересованным лицам". Возник "институт Учителя" [14]. Редкие случайные "счастливые находки" очень быстро могли становиться всеобщим достоянием.

Все это придало накоплению опыта и знаний в человеческих популяциях форму взрыва. Количество специфической для человека информации – человеческого знания – начало безудержно возрастать. Объективных верхних границ для накопления такой логической информации, как это было с генетической и поведенческой формами информации, по-видимому, не существует.

Функции информации в человеческих сообществах

Таким образом, первая функция, которую выполняет логическая информация в человеческих сообществах, – это обеспечение быстроты обмена новыми знаниями между членами этих сообществ.

Но передача информации посредством речи не только породила возможность быстрого обмена знаниями, но и сыграла решающую роль в сплочении человеческих сообществ, в связывании отдельных их представителей в единую информационную систему, функционирующую (и управляемую) на основе единого информационного пула. Подобно тому, как генетическая информация обеспечивает слаженность функционирования клеток и организмов, а поведенческая – популяций организмов, обладающих развитой нервной систмой, логическая информация, являясь "общественным достоянием", обеспечивает функциональную слаженность человеческих сообществ. Это – вторая, консолидирующая, функция информации. Такая консолидация людей, в свою очередь, интенсифицирует динамику самой информации. Носителями информации становятся все более многочисленные группы людей, все интенсивнее вовлекаемые в использование имеющейся и создание новой информации.

И наконец, третья функция логической информации, неотрывная от первых двух.

Зарождение и развитие речи, благодаря все возрастающей возможности концентрировать и сохранять знания, естественно сопровождалось умножением и совершенствованием производственных навыков, изготовлением орудий труда, средств потребления, средств производства и, наконец, производством средств производства. На основе первичных примитивных и подчас случайно "изобретаемых" орудий труда начали развиваться различные виды технологий.

Информация, получившая благодаря речи независимое (от отдельных индивидов) существование, породила независимо существующие от отдельных индивидов операторы – орудия труда и производственные навыки. Степень соответствия таких операторов задаваемым целям и условиям обитания определяла сохранность и мультипликацию кодирующей их информации. Ноогенез совершался в теснейшем взаимодействии и взаимосвязи с техногенезом.

Человечество и техногенез

Таким образом, к "феномену человека" относятся три решающих фактора: во-первых, речь; во-вторых, порождаемое речью независимое от отдельных людей существование и развитие информации; и, в-третьих, порождаемое и определяемое информацией – и, в свою очередь, направляющее ее эволюцию – развитие технологий.

Все три ипостаси феномена человека по сути своей сформировались еще на заре человеческой истории и сохранились до сих пор. Все последующее совершенствование языка (устная речь, письменная, записи разного рода, развитие технических систем связи, хранения и обработки информации, в том числе разные варианты компьютеров) служили задачам передачи, приема и хранения информации, а также переработки получаемой информации с целью более компактной ее записи для облегчения ее использования и т. п. Все развитие технологий всегда осуществлялось и осуществляется сейчас как развитие способов и форм реализации логической информации в те или иные технологические объекты, призванные обеспечивать достижение тех или иных целей.

Заметим, однако, что, хотя непосредственными целями использования различных технологий является реализация тех или иных стремлений (задач) владеющих ими лиц или сообществ, одновременно каждый технологический объект неизбежно выполняет и другую функцию – функцию фактора, определяющего судьбу кодирующей его информации. Выражение "практика –критерий истины" как нельзя более подходит к описанию взаимоотношений между эффективностью работы операторов, в роли которых выступают технологии, и жизнеспособностью в данных конкретных ситуациях кодирующей их логической информации.

Особенности динамики человеческих популяций

Все человеческие сообщества, или популяции, порождаемые биологической эволюцией, и раньше, и сейчас были и остаются теснейшим образом связанными с экосистемами, в пределах которых они существуют, и со всей биосферой Земли. Рассмотрим поэтому динамику человеческих популяций прежде всего как природных компонентов биоценозов и биосферы.

Выше мы уже говорили, что "расширенное воспроизводство" или "давление жизни" (L > 1) является необходимым условием процветания любой природной популяции. Это полностью относится и к популяциям человека как биологического объекта.

Можно утверждать, что прогрессивная эволюция человечества как биологического вида возможна лишь при условии dn /dt > 0, т. е. при постоянном возрастании его численности, или его биомассы. Условие dn/dt <0 соответствует деградации человеческих популяций, а условие dn /dt = 0 – их стабилизации, что, как мы видели, является неустойчивым состоянием и также чревато гибелью (см. главу 6). Но постоянное возрастание численности людей возможно лишь при опережающем увеличении биомассы тех растений и животных, которых человек использует для питания и удовлетворения других потребностей [15]. Посмотрим, какие из этого можно сделать следствия.

Этапы эволюции человечества

Напомним, что по своему положению в биосфере человек занимает верхний ярус биологической иерархии: он может обитать практически во всех климатических зонах и использовать для своих нужд практически любых представителей флоры и фауны. В силу этого экосистемой современного человечества является вся биосфера Земли.

Эволюцию человека как вида можно разделить на три этапа.

Первый этап, когда накопление биомассы, т. е. суммарный рост численности всех человеческих популяций, шло за счет использования избытков продуктивности занимаемых этими популяциями ценозов, т. е. когда человек "вписывался" в трофический баланс этих биоценозов. Этот этап состоял в освоении все новых зон обитания и сопровождался расселением человека по поверхности планеты, при примерном постоянстве его удельной плотности внутри разных биоценозов. Этот этап сопровождался жестокими стычками человеческих популяций за места обитания. Рудиментами этого этапа являются до сих пор сохраняющиеся кое-где популяции "дикарей", довольствующихся охотой и собиранием плодов, давно стабилизировавшиеся по численности и поэтому находящиеся на грани вымирания. На этом этапе своей эволюции человек в занимаемой им экосистеме исполнял роль одного из ряда сосуществующих с ним трофических аналогов. На этом этапе нарушений стабильнсти заселенных человеком экосистем еще не происходило. Численность таких челвеческих популяций должна была колебаться около нижнего биологически допустимого предела, вписываясь в общую биомассу всей совокупности соответствующих трофических аналогов.

Второй этап, постепенно вызревавший в недрах первого, был характерен тем, что человек уничтожал своих трофических конкурентов, например хищников. Этот этап состоял в постепенном вытеснении человеком из зон своего обитания его трофических аналогов. Благодаря монополизации соответствующих трофических функций человек получал возможность увеличиваться в численности до верхней биологически допустимой границы. Однако, как мы видели выше, сопровождавшее этот процесс уменьшение числа трофических аналогов было далеко не безразличным для состояния включающих их экосистем, так как приводило к уменьшению их надежности. Это, в свою очередь, угрожало дальнейшему приросту численности человека. Поэтому в историческом аспекте данный период развития может расцениваться лишь как паллиатив, ибо он способен обеспечить не неограниченный, а ограниченный лишь более высоким уровнем рост численности человечества.

Наконец, с развитием технологий все больший вес приобретает третий этап эволюции человеческих сообществ. Продолжая уничтожать своих трофических конкурентов, человек начинает замещать некоторые из низлежащих компонентов биоценозов их технологическими аналогами, отличающимися от природных более желательными для человека особенностями биологической продуктивности. Начинается этот этап с возникновения животноводства и земледелия и продолжается до сих пор. С началом этого, третьего этапа развития человечество вступило в эру техногенеза.

Покажем теперь, что наступление эры техногенеза было единственным условием дальнейшей прогрессивной эволюции человечества, а затем рассмотрим факторы, лимитирующие техногенез.

Ограничения численности человеческих популяций

Напомним, что продукция биомассы в биосфере является функцией всех входящих в нее биоценозов. Обмен биомассой между отдельными биоценозами относительно невелик и поэтому прирост биомассы во всей биосфере слагается из сумм приростов биомассы в каждом биоценозе (29):

где

N - число всех биоценозов, а скорость V_i накопления биомассы каждым биоценозом задается уравнением типа (22). Если принять, что одним из лимитирующих факторов в производстве биомассы является количество энергии, доступной популяции, сообществу или биосфере в целом, то отсюда следует, что повышение скорости прироста биомассы во всех сообществах и в биосфере возможно лишь при условии еще более интенсивного накопления доступной по форме энергии, т. е. еще более интенсивного ее создания и высвобождения. Поскольку приток энергии на Землю есть величина постоянная, то даже локальное увеличение "полезного потока энергии" может осуществляться лишь "искусственно", т. е. с помощью технологий. Такие же рассуждения справедливы, в принципе, и для других лимитирующих факторов.

Роль технологий в приросте человечества

Будем называть технологией совокупность всех видов операторов, используемых человеком для достижения той или иной своей цели. Как мы уже отмечали, в конечном счете это, как правило, имеет два последствия: способствует размножению человеческой популяции и мультипликации соответствующей информации.

К первым технологиям, по-видимому, можно отнести изготовление простейших орудий труда и овладение огнем. Произошло это еще в ранний период развития человечества и немало способствовало его экспансии – вселению во все новые экологические ниши. Здесь добавочное получение энергии путем сжигания растений существенно способствовало как расширению занимаемых территорий, так и вытеснению (или истреблению) трофических аналогов. Так началось зарождение технологической эры. Переход к скотоводству и земледелию явился непосредственным следствием достаточного развития технологий и увеличения численности человеческих популяций. Можно думать, что переход этот был существенно стимулирован достигнутыми человеческими популяциями численностями, уже выходящими за пределы верхней границы биомассы для компонентов биоценозов данной трофической функции. Только использование технологий позволило преодолеть этот барьер.

Таким образом, благодаря развитию технологий человек вырвался за пределы численности, налагаемые на него его биологической природой и его естественным положением в биосфере. Логическая информация, достигнув должного уровня развития, начала создавать техногенный мир, мир, искусственно создаваемый человеком. Стада первых скотоводов и поля первых земледельцев - вот первые, еще буколические его порождения.

Основные черты техногенеза

Вряд ли есть смысл детально прослеживать дальнейшие пути техногенеза. Уже первые его шаги выявляют присущие ему основные черты. Перечислим их и рассмотрим подробнее.

Техногенез возник и развивался в неразрывном единстве с возникновением и развитием логической информации; технологические объекты – это воплощение или материализация информационных блоков, эти объекты кодирующих. Технологические объекты, используемые человеком для достижения "своих" целей, в то же время служат для проверки истинности кодирующей их информации ("практика – критерий истины") и тем самым определяют, в конечном счете, жизнеспособность, а также возможность и направления дальнейшего развития этой информации. Свойства же и особенности информации определяют целый ряд свойств, и прежде всего КПД, соответствующих технологических объектов.

Одна из таких особенностей логической информации – неограниченные (в принципе) возможности ее количественного нарастания в ходе ноогенеза. Это обусловливает отсутствие принципиальных ограничений на технологические объекты – на их развитие, их мощность и энергоемкость. Другими словами, в принципе возможны технологические объекты любых масштабов и энергоемкости, вплоть до космических, что было подчеркнуто еще С. Лемом [15].

Но, в отличие от информации, их кодирующей, технологические объекты – это машины, функционирующие в материальном мире. Это – объекты, совершающие целенаправленные действия – и, следовательно, наряду с "достижением цели" Z неизменно производящие "побочные продукты" w (см. главу 2). Каков бы ни был КПД таких объектов, он всегда меньше единицы, и избежать образования w невозможно. Но с ростом энергоемкости операторов, даже при постоянном возрастании их КПД, величина w будет столь же неограниченно возрастать. Это должно привести к ряду следствий, непосредственно относящихся к воздействию технологий на экосистемы и биосферу в целом.

Интенсивный период техногенеза и его особенности

Мы уже отмечали, что только технология позволила человеку вырваться за пределы "природной" численности, налагаемые его положением в биосфере как биологического объекта. Начальный период этого процесса, который можно назвать экстенсивным, состоял в экологической экспансии и вытеснении трофических аналогов из различных захватываемых человеком биоценозов. Результатом этого явилось недостижимое для других биологических видов расширение ареалов обитания. Здесь технологические объекты играли в основном роль оружия. Следующий, продолжающийся до сих пор интенсивный период развития технологий состоит в постепенной замене различных биологических компонентов биосферы их технологическими аналогами. Здесь технологические объекты уже выполняют роль орудий труда – в самом широком смысле этого слова.

Необходимо подчеркнуть, что процесс этот был природным, естественным и лишь сравнительно недавно начал осознаваться человеком. Мы уже отмечали, что техногенез есть непосредственное (и неизбежное) следствие ноогенеза: развитие идей, логической информации, всегда предшествовало и предшествует их технологической реализации. Весьма распространенные высказывания типа "Только сейчас наука становится движущей силой развития промышленности", "Наш век – век научно-технической революции" и т. п. – лишь отражение того, что только сейчас люди стали замечать это и понимать то, что всегда, на протяжении всей обозримой человеческой истории, имело место и благодаря чему человек – повторим еще раз – переступил отведенные ему природой границы численности. С развитием технологий, как мы уже отмечали, неизбежно ускорялось и накопление общего количества логической информации, усиливалось ее консолидирующее воздействие на человеческие сообщества. Постепенно формировался – и теперь этот процесс уже всеми осознан – глобальный информационный пул, сплачивающий все человеческие сообщества в единую информационную суперсистему. Стираются грани между отдельными племенами и народностями, между отдельными странами. Параллельно формированию единого информационного пула идет формирование единого общепланетарного рынка, возникают межнациональные технологические комплексы, процесс техногенеза все более подпадает под осознанный контроль со стороны таких международных организаций, как ООН, ВОЗ, МАГАТЭ и другие. Техносфера все плотнее охватывает планету, образуя единую техногенную среду обитания человека.

Техногенез и проблема автотрофности человека

Как мы уже отмечали, замена биологических компонентов биосферы их технологическими аналогами началась уже на заре человеческой истории. Использование огня, шкур животных, постройка жилищ и, наконец, скотоводство и земледелие – процессы, которые с развитием рыбоводства и освоением "морских пастбищ" завершат технологизацию природных источников питания и одежды.

Позже начался и нарастает, параллельно с этим процессом, когда один природный продукт заменяется другим, более выгодным, другой процесс – процесс такой замены продуцентов, когда продукт перед использованием требует технологической доработки, "доведения", например искусственное волокно взамен шерсти или льна и т. д. Этот процесс набирает все большую мощность. В некоторых областях человеческой жизни такая замена произошла почти полностью. Так, например, на смену последовательности событий "выпас лошадей – кормление их в стойлах – использование лошадей для поездок верхом и перевозки вьюков – изобретение колеса – использование легких повозок – использование больших упряжек" пришла принципиально новая последовательность "автомобиль – трактор – паровоз – электровоз". "Почти полностью" потому, что непосредственным источником энергии как в первой, так и во второй последовательности служат природные биогенные продукты – трава и зерно, скармливаемые лошадям, или бензин, уголь, газ, используемые техническими средствами транспорта.