Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Глава 14. Бинарная множественность природных технологий

«Видели ли вы,

Как бежит по степям,

В туманах озерных кроясь,

Железной ноздрей храпя,

На лапах чугунных поезд?

А за ним по большой траве,

Как на празднике отчаянных гонок,

Тонкие ноги закидывая к голове,

Скачет красногривый жеребенок?» (С. Есенин)

Праздник гонок, приведенный в эпиграфе, проиграет природная технология, не соответствующая целям создания человеческой техники. Но она принципиально отличается от технологии, созданной человеком, своей негэнтропийностью, экологичностью. Под технологиями природы и объектами «техники» можно понимать все без исключения природные явления и объекты, начиная c объектов и явлений в космическом пространстве, во Вселенной, и кончая явлениями в отдельных живых организмах, их органах и т.д. В природе используется невероятное по количеству бинарное множество технологий, в той или иной степени целесообразных для жизни и выживания организмов.

Природные технологии, отобранные в течение миллионов лет, целесообразны и, в соответствии c законом разветвляющегося развития, бывают нецелесообразны. Одним из наиболее принципиальных факторов, подтверждающих целесообразность природных технологий, является то, что необходимые для жизни условия созданы длительным (около 3,5 млрд. лет) и усложняющимся взаимодействием самих живых организмов. В их числе – оптимальное соотношение газов в атмосфере, поглощение организмами избыточного СО2 , регулирование температуры земной поверхности, нейтрализация усиленной радиации, предотвращение чрезмерного засоления вод мирового океана. В глобальной сети многообразной жизни все взаимосвязано. Поэтому любая форма жизни на земле имеет самостоятельную ценность, как и вся природа – результат симбиоза [86, 95]. Эти условия жизни созданы в биосфере, которая, согласно учению В.И. Вернадского, представляет собой наружную оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его обитания. Верхней границей биосферы является защитный озоновый слой на высоте 20....25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду действия ультрафиолетового излучения. Нижняя граница биосферы – литосфера до глубины 5 км и гидросфера до глубины 12 км. Живое вещество биосферы действует не только как геологическая сила, формирующая лик Земли, но и связано c неживым веществом – биогенной миграцией атомов.

По В.И. Вернадскому живое вещество – носитель свободной энергии биосферы. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающего около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, чрезвычайно велика (2,432×1012 т). Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8×1011 т. Через живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы. Таким образом, живое вещество создавало приемлемую для него среду обитания, и это – подтверждение целесообразности природных технологий. После возникновения около 4,5 млрд. лет назад биосфера прошла несколько этапов эволюционного развития. От первоначального круговорота органического вещества произошел переход к биологическому круговороту – непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти. Человеческая деятельность превратилась в мощную силу, необратимо и целенаправленно меняющую всю природную среду. Сформированная при определяющем влиянии человечества новая природная среда – биотехносфера – следствие социального и научно-технического развития человека. Но ее технологии негэнтропийны, они неприемлемы для природы.

В России (Кондратьев К.Я., Донченко В.К., Лосев К.С.) создана «биосферная» концепция мирового развития, согласно которой самой важной «поворотной» точкой в экологическом состоянии Земли является величина допустимого возмущения окружающей среды. Разработана теория биологической регуляции, согласно которой имеется порог устойчивости биосферы: биосфера способна компенсировать любые возмущения, вызываемые деятельностью человека, пока потребление продукции биоты человечеством не превышает 1 %, а остальные 99 % тратятся на стабилизацию. Этот предел был нарушен в начале XX века, сейчас потребляется не менее 6…8 % продукции биоты (по данным организации, исследующей «эко-след» человечества, значительно больше). Следовательно, экологизация техносферы – это деятельность, направленная на выживание природы и человека.

Живое вещество находится в верхней части земной коры (литосфере) в воде морей, озер, рек и мирового океана (гидросфере), и в нижней части газообразной оболочки Земли (атмосферы) – в тропосфере. Важнейшие компоненты биосферы по В.И. Вернадскому: живое вещество (растения, животные, микроорганизмы); биогенное вещество органического происхождения (созданное живыми организмами и состоящее из растительных и животных остатков – уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.); косное вещество – горные породы неорганического происхождения; биокосное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами. Окружающая среда для всех живых организмов включает в себя атмосферу, гидросферу и литосферу; всего сфер – пять, в том числе биосфера и техносфера, причем каждая из них отличается множественностью структуры и функций. Все сферы бинарно множественны, и все эволюционируют c разветвлениями.

Атмосфера как внешняя оболочка Земли выполняет ряд важнейших функций: воздух используется живыми организмами как природный ресурс, в промышленности он нужен в качестве сырья для добычи кислорода, азота, аргона, криптона, ксенона и неона, в технике воздух применяется в виде рабочего тела; атмосфера выполняет функцию защиты Земли от потока солнечных и космических излучений в широком диапазоне волн и энергии: ультрафиолетового излучения, рентгеновских и гамма – лучей и др.; от излишней энергии Солнца: без атмосферы поверхность Земли нагревалась бы днем свыше 100 °С; от падения метеоритов, сгорающих в атмосфере. Как подчеркивает Ю. Одум, «... организмы постоянно изменяют физическую и химическую природу инертных веществ, отдавая в среду новые соединения и источники энергии. Кораллы (животные) строят целые острова. Состав морской воды и донных отложений в значительной степени определяется активностью морских организмов. Организмы контролируют даже состав нашей атмосферы». Распространение биологического контроля на глобальный уровень стало основой гипотезы «ГЕИ», созданной Д. Лавлоком. Это значит, что вряд ли вначале на Земле появилась благоприятная атмосфера, а затем – живые организмы. Вернее всего, что живые организмы развивали и регулировали благоприятную для них геохимическую среду [86]. Без живых организмов состав атмосферы Земли был бы близок к венерианскому, а температура на поверхности составляла бы около 290 °С. Все это свидетельствует об исключительно важной, жизнеобеспечивающей роли живых организмов и природы на Земле (и, следовательно, о необходимости защиты и сохранения их от урбанизации). Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли – также исключительно важна для создания условий, обеспечивающих жизнь на Земле: для протекания биологических и биофизических процессов в организмах, для прохождения фотосинтеза и выделения водорода, для геологического преобразования планеты. Водяной пар в атмосфере фильтрует солнечную радиацию, а вода на поверхности Земли смягчает действие высоких температур. Литосфера – твердая оболочка Земли, причем в состав биосферы входит только верхняя ее часть, где возможна жизнь. И, наконец, биосфера – область распространения всего живого, играющая исключительную роль в поддержании жизни. Новая сфера – техносфера – включает все технические объекты, предметы и явления (радиоволны, физические поля, и пр.), которые созданы человеком и оказывают влияние на остальные сферы.

В природе известны три вида эволюции: неорганическая, органическая (биологическая) и социальная (к ним можно прибавить техногенную эволюцию – определяющий фактор современного развития
[20, 88, 95, и др.]). Неорганическая эволюция протекает очень медленно, ее практически невозможно изучить на протяжении жизни даже нескольких поколений исследователей. Эта эволюция изучается в основном астрономией (образование галактик, эволюция космических тел и др.). Биологическая эволюция протекает значительно быстрее, причем ее темпы ускоряются. Так, жизнь возникла на Земле около 3,5....4,5 млрд. лет назад, а человек – всего 3,5....4,5 млн. лет назад (эти сроки незначительны в масштабах астрономии). Социальная революция идет значительно быстрее биологической. Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии c окружающей средой, состоящей из множества меняющихся во времени и пространстве явлений, условий, элементов, называемых экологическими факторами среды. Экологические факторы – это любые условия окружающей среды, оказывающее длительное или кратковременное влияние на живые организмы, реагирующие на эти влияния приспособительными реакциями. Абиотические факторы наземной среды – это лучистая энергия Солнца, поступающая в виде электромагнитных волн; освещенность земной поверхности, выражающаяся в продолжительности и интенсивности светового потока; влажность атмосферного воздуха, проявляющаяся в насыщенности его водяными парами; осадки как следствие конденсации водяных паров в воздухе: газовый состав атмосферы; температура на поверхности Земли, связанная c солнечным излучением и углом стояния Солнца над горизонтом; ветер как движение воздушных масс вследствие неодинакового нагрева поверхности Земли и перепадов давления; давление атмосферы. Абиотические факторы почвенного покрова связаны c плодородием почвы. Это – химический и физический составы почвы, водопроницаемость, плотность, влажность, аэрация, содержание минеральных веществ в виде растворенных
ионов, наличие растительных и животных организмов (бактерии, водоросли, грибы, черви и др.). Абиотические факторы водной среды – плотность, вязкость, подвижность воды, температурная стратификация (изменение температуры по глубине), режим периодического изменения температуры, прозрачность и мутность воды, ее соленость, присутствие кислорода и диоксида углерода, концентрация водородных ионов. Биотические факторы – совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие, характеризуемая взаимоотношениями между животными, растениями, микроорганизмами (коакциями – прямыми и косвенными). Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой (трофический) фактор. Первичное органическое вещество создают растения. Все животные и растения избирательны к составу пищи в зависимости от необходимости тех или иных минеральных элементов. В процессе взаимоотношений и взаимодействий живых организмов происходит их естественный отбор, приспособительная изменчивость. Животные и растения, независимо от их деления на хищников, паразитов, зоофагов, фитофагов – необходимые факторы среды по отношению к другим животным, они взаимно необходимы; это нужно учитывать при истреблении, переселении.

Открытый в 1840 г. Ю. Либихом и развитый в 1910 г. В. Шелфордом лимитирующий фактор свидетельствует о том, что избыток или недостаток какого-либо элемента в организме может вызывать функциональные расстройства и другие отклонения в жизнедеятельности [95]. Лимитирующий фактор или закон толерантности позволяет учесть влияние вредных примесей (недостатка необходимых веществ) на здоровье организмов. Любой организм приспособлен к существованию в узких пределах изменения условий окружающей среды; выход параметров за границы влечет за собой угнетение жизнедеятельности или гибель. Границы распространения организма (ареал) обусловлены соблюдением этих условий. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другим функциям организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида и его характеристик является экологической нишей. Все факторы в ней взаимозависимы, изменение одного влечет за собой изменение других, не подвергающихся воздействию. Это – проявление целесообразности природных технологий.

Вторым важнейшим, принципиальным фактором целесообразности природных технологий является способность живых организмов адаптироваться к факторам или комплексам (экологическая валентность или пластичность). В зависимости от пластичности видов меняется их способность выживать в условиях меняющихся факторов. Живые организмы приспосабливаются к множеству динамичных экологических факторов,
зависящих от геологических, астрономических, геоклиматических процессов. Выработанные в результате эволюции и закрепленные в наследственной информации особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность, называются адаптациями. Они могут быть морфологическими (приспособление строения организмов к среде), физиологическими (приспособление пищеварительного тракта к составу пищи и др.), поведенческими или этологическими (приспособление поведения к температуре, влажности и др.).

Целесообразность проявляется и в том, что живые организмы в природе существуют в виде популяций – исторически сложившихся сообществ особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). Популяция, по мнению академика С.С. Шварца, дирижирует свою судьбу, дирижируя физиологическим состоянием слагающих ее индивидов. Каждой популяции свойственно колебание численности и структуры (возрастная, сексуальная, пространственная), зависящие от экологической ниши и факторов среды [95]. В естественных природных условиях численность и плотность (численность, отнесенная к единице площади или объема) популяции не случайны, они определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами. Объем популяции определяется стациальной (стация – место обитания) емкостью экосистемы. Рост популяции возможен только до предела, допускаемого емкостью экологической ниши. Совокупность факторов, препятствующих неограниченному росту популяции, называется сопротивлением среды. Под влиянием регулирующих факторов среды меняется численность популяций; периодически (колебания – осцилляции) или не периодически (флуктуации).

Следующим принципиальным фактором целесообразности природных технологий является то, что внутренне целесообразная экологическая система (экосистема) является совокупностью взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и среда обитания (биотоп). Академик В.Н. Сукачев предложил понятие «биогеоценоз» («биос» – жизнь, «ге» – земля, «ценоз» – сообщество), представляющее сообщество растений (фитоценоз), животных (зооценоз), микроорганизмов (микробоценоз) c определенным участком земной поверхности c его микроклиматом, геологическим строением, ландшафтом, почвой, водным режимом. Понятие «экосистема» шире «биогеоценоза», биогеоценоз – это только наземное образование c четкими границами. Биогеоценоз включает
совокупность на определенной территории абиотических факторов (экотоп, от греч. «топос» – место) и совокупность живых организмов (биоценоз), причем в экотоп входят климатические факторы (климатоп) и почвенно-грунтовые (эдафотоп), а в биоценоз – зооценоз, фитоценоз и микробиоценоз. Все компоненты биогеоценоза взаимосвязаны и взаимозависимы. Так, климат влияет на состояние почвогрунта, а от состояния почвы в определенной степени зависит ее отражательная способность, нагревание. Живые организмы являются для других живых организмов источником пищи («пищевая пирамида»), или средой обитания, или фактором смертности; они связаны между собой. Биогеоценоз – это часть природы, внутри которой происходит передача информации между отдельными компонентами, круговорот веществ и потока энергии.

Все экологические системы существуют длительное время, иногда – сотни лет, причем одни популяции увеличиваются, численность других уменьшается, но система находится в равновесии. Это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы называется гомеостаз («гомес» – тот же, «стазис» – состояние). Гомеостаз – важнейший фактор целесообразности природных технологий – в природных системах поддерживается тем, что из окружающей среды непрерывно поступает информация, экосистема открыта, накопление вещества сопровождается его распадом. В антропогенных экосистемах нет открытости, для их постоянного функционирования нужно поддержание, управление гомеостазом со стороны человека. Например, любой поселок, город пока не может утилизировать все отходы внутри себя, не может обеспечить замкнутый цикл функционирования любых производств, жилых зданий: везде, во всех случаях требуется вмешательство человека для удаления и утилизации отходов, притока энергии и т.д. Любая природная экосистема медленно меняется во времени, в первую очередь – в части биоты, живых организмов. Эта смена одного биоценоза другим называется сукцессией (от лат. «сукцедо» – следую). В экосистеме (биогеоценозе) первичное органическое вещество последовательно передается от одних живых организмов к другим по цепи. Эта цепь называется трофической (от греч. «трофе» – питаюсь). В ее начале, в первом звене, расположены растения, питающиеся солнечной энергией (автотрофы) и создающие первичное органическое вещество (продуценты). Далее, во втором звене, – организмы, которые употребляют в пищу автотрофы, называющиеся гетеротрофы (питаемые другими) или консументы (от лат. «консумо» – потребляю), они строят белки своего тела из белков растений. Далее, в третьем звене, – вторичные консументы, плотоядные животные, использующие животные белки. Иногда есть следующие консументы, третьего порядка, питающиеся вторичными консументами. На этом цепь не кончается, так как во всех предыдущих звеньях образуются отходы – листья, отмирающие организмы, отбросы и др.

Эти отходы поступают в следующее звено – редуцентов (от лат. «редукцио» – возврат), состоящее из бактерий, грибов, мелких беспозвоночных и др. Они разлагают органические остатки всех трофических уровней до минеральных веществ (сюда входят, % : кислорода – 45, водорода – 42, азота – 6,5, воды c кальцием, кремнием, калием и фосфором – 1,5). Таким образом, энергия Солнца передается по трофической цепи. Консументы используют энергию редуцентов частично на построение своего органического вещества, частично – на движение, дыхание, теплоотдачу, часть энергии теряется в виде экскрементов. Эта схема действительна только для естественной экосистемы, тогда как для городской экосистемы или любой экосистемы c включением антропогенных компонентов схема приобретет совершенно другой характер: очевидно, существенно изменится поток отходов, поступающий в блок биоредуцентов, и др. В соответствии со вторым законом термодинамики процесс непрерывной передачи энергии по трофической цепи сопровождается ее рассеиванием, потерями, ростом энтропии, компенсируемым постоянным поступлением солнечной энергии (для сравнения: 1 г сухого органического вещества растений содержит 18,7 кДж энергии). В экосистемах, таким образом, создается и расходуется органическое вещество, что позволяет оценивать продуктивность систем как скорость образования вещества: первичная (основная) продуктивность – это скорость усвоения солнечной энергии организмами – продуцентами: чистая первичная продуктивность – это основная продуктивность за вычетом вещества, израсходованного на дыхание; вторичная продуктивность – это продуктивность консументов. Вторичная продуктивность очень низка, при передаче от каждого предыдущего звена к последующему звену трофической цепи теряется около 90...99 % энергии: если растениями создано на 1 м2 почвы 84 кДж энергии, то продукция первичных консументов – 8,4 кДж, а вторичных – около 0,84 [95]. Например, для создания 1 кг говядины расходуется около 80 кг свежей травы.

Городские экосистемы характеризуются совершенно измененным потоком энергии по сравнению c природными. В пищевой цепи место хищников занимает человек, к тому же потребление природной продукции (растений и первичных консументов) носит характер искусственно регулируемого производства, только частично вписывающегося в природный поток энергии. При этом в естественные потоки поступают производимые городскими системами загрязнения, а блок биоредуцентов (деструкторов) полностью или частично теряет свою роль. В городах искусственно меняются потоки энергии и веществ – резко возрастает произведенная человеком и выброшенная в окружающую среду энергия, и вместе c тем растут загрязнения среды, в том числе и не известные ранее природным системам.

Таким образом, по мере роста урбанизированных и вообще антропогенно освоенных территорий полностью меняется привычный для природы поток энергии в пищевой цепи. Он заменяется техногенным потоком энергии и веществ. Продуктивность экосистем зависит от соотношения расходов энергии растений на фотосинтез и дыхание: если на дыхание расход энергии и вещества меньше, чем на фотосинтез, то растения могут увеличивать биомассу, и зона обитания называется эфотической, а экосистема – c автотрофной сукцессией; если расход энергии и вещества на дыхание больше, чем на фотосинтез, – экосистема имеет гетеротрофную сукцессию (биомасса снижается); при равенстве энергий на дыхание и фотосинтез экосистема называется климаксной. Антропогенная водная экосистема (например, загрязненная биостоками воды) может быть богатой биогенными элементами – эвтрофной, но это может привести к резкому росту продукции фитопланктона и нарушению баланса экосистемы.

Все вещества находятся в исключительно целесообразном биохимическом круговороте – большом (геологическом) и в малом (биотическом); в большом круговороте, длящемся миллионы лет, участвуют горные породы, которые выветриваются, сносятся в моря и океаны, образуя напластования, и в процессе перемещения морей, океанов, материков могут снова возвратиться на сушу, где подвергаются выветриванию; в малом круговороте, являющемся частью большого, участвуют питательные вещества почвы, вода, углерод, которые используются растениями, а растения – животными – консументами; далее продукты распада всего органического вещества разлагаются почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, черви и др.) до минеральных компонентов и снова поступают в растения. Этот круговорот называется биогеохимическим циклом (можно назвать его экоциклом). Природные экоциклы замкнуты и дают минимум отходов в виде накапливаемых осадочных пород, полезных для природы.

В большом и малом круговороте участвуют углерод, кислород, азот, фосфор, вода и другие элементы и соединения. Круговорот углерода происходит за 8 лет, азота – за 110, кислорода – за 2500 лет. Основная масса углерода, сосредоточенная в карбонатных отложениях дна океана (1,3×1016 т), кристаллических породах (1×1016 т), каменном угле и нефти (3,4×1015 т), участвует в большом круговороте. Углерод, содержащийся в растительных (5×1011 т) и животных тканях (5×109 т), участвует в малом круговороте [95]. Биогенные элементы принимают участие в малом круговороте на уровне биогеоценоза, поэтому от осуществления регулярного круговорота зависит функционирование и продуктивность экосистем. Антропогенные воздействия приводят к вмешательству в процесс круговорота вплоть до полного изменения его скорости и содержания веществ.

На основе анализа роли круговорота веществ в природе родилась идея «круговоротного» мышления в технике (безотходные замкнутые технологии). Необходимо исключение незамкнутых технологий c выбросом отходов в природную среду и переход к природоподобным замкнутым технологиям c возвратом и повторным использованием разного рода отходов на разных стадиях процесса. Экоциклы в технике имеют, как правило, неравные по объему ветви деградации и восстановления, вследствие чего возникают большие объемы отходов. В природе ветви близки по объемам, отходы минимальны, они поступают в природу в виде осадочных пород.

Природная экосистема (биогеоценоз) устойчиво функционирует при постоянном взаимодействии составляющих ее элементов, круговороте веществ, передаче химической, энергетической, генетической и другой энергии и информации по цепям-каналам. При этом устойчивость экосистем обеспечивается обратной связью между ее элементами. Обратная связь заключается в использовании получаемых данных от управляемых компонентов экосистем для внесения коррективов управляющими компонентами в процесс.

Принцип обратной связи позволяет поддерживать равновесие. Так, например, в водной экосистеме хищные рыбы поедают некоторые виды рыб (жертвы). Если численность жертв растет, то и численность хищников тоже может увеличиться (положительная обратная связь). Но хищник, питаясь рыбой, снижает численность ее популяции (отрицательная обратная связь). При росте числа хищников уменьшается число жертв, и хищник, испытывая недостаток пищи, также снижает рост своей популяции. Постоянно поддерживается равновесие, которое исключало бы исчезновение любого звена трофической цепи. Вмешательство в эти естественные процессы, например, в результате урбанизации, нарушает сложившееся тысячелетиями равновесие.

Всем природным технологиям свойственны некоторые общие закономерности (табл. 14.1). В целом природные технологии целесообразны в той мере, в какой они обеспечивают существование живых организмов. Как отмечал еще Ч. Дарвин, природные технологии могут быть чрезвычайно расточительны – например, в случае образования огромного количества пыльцы, большая часть которой попросту пропадает.

Таблица 14. 1

Особенности природных технологий

Объект

Рассматриваемая часть

Свойства, особенности

Вселенная

Вся Вселенная

Цикличность существования и развития, обеспечивающая вечное (?) существование

Чрезвычайное разнообразие явлений и состояний, вечное (?) движение объектов

Одновременное существование систем совершенно разного уровня развития

Постоянное самообеспечение энергией

Обеспечение возможности зарождения жизни. Красота

Земля

Неживая природа

Постоянная цикличность, движение, преобразование

Многообразие состояний, форм, явлений

Предоставление экологических ниш для живой природы

Предоставление абиотических факторов для всего живого

Предоставление красивых ландшафтов

Предоставление человеку полезных минералов, в том числе драгоценностей

Проявление опасных явлений, как следствия целесообразных движений (земной коры, атмосферы, воды и пр.)

Живая природа

Почти полностью замкнутые, безотходные, «мягкие» технологии

Постепенное совершенствование объектов c помощью естественного отбора

Органичное единство живой природы и окружающей среды, экологическое равновесие

Гомеостазис

Негэнтропия живой природы

Соответствие экологическим законам

Предоставление разнообразных материалов, объектов и свойств, нужных человеку. Красота объектов живой природы

Так же нецелесообразно выделение большого количества сперматозоидов для оплодотворения одной яйцеклетки. Множество природных технологий явно нецелесообразно, как, например, в случае c фазаном – аргусом, когда самка выбирает самца по величине пера, большой размер которого в свою очередь мешает его полету и может привести к гибели (разветвляющееся развитие). Множество природных технологий нецелесообразно – например, когда самка богомола начинает поедать самца c головы в конце периода спаривания, так как ей необходим белок. Или когда самцы глубоководных рыб паразитируют на теле самок, навечно прикрепляясь к ним (рис. 14.1). Особенно нецелесообразны технологические процессы и органы, связанные c питанием. Множество нецелесообразных (с человеческой точки зрения) природных технологий имеется в процессах, связанных, например, c размножением. Например, садовые улитки проникают друг в друга c помощью известковых стрел, которые несут запрос о возможности поступления спермы.

pic_14_1.jpg

Рис. 14.1. Примеры нецелесообразности технологий в природе: самцы, паразитирующие на теле самки; саккулина – паразит краба

Осеменение крупных змей – анаконд – протекает в течение недели, когда самку обвивает несколько (до десятка) самцов, что повышает шансы на продолжение рода (рис. 14.2). Все это время самка лежит, обвитая и по периметру и по длине множеством самцов. Еще более нецелесообразны технологии размножения у многих насекомых – например, самцы некоторых пауков в течение процесса ухаживания и осеменения опасаются быть съеденными самкой, и предпринимают различные меры против этого (вплоть до того, что незаметно обматывают самку паутиной). Сам процесс ухаживания, целью которого является отбор самкой наиболее подходящего самца, может быть длителен о опасен: самцы
некоторых видов бьются между собой вплоть до гибели одного из соперников, самки (например, носорога) в ходе такой «любовной игры» наносят серьезные ранения самцам.

pic_14_2.jpg

Рис. 14.2. Анаконда, обвитая самцами

С самого начала эволюционного процесса все живое оказалось включенным в пищевые цепи. Без глобальных пищевых цепей жизнь была бы неосуществима, так как отсутствовала бы возможность круговорота веществ и утилизации органических отходов. После роста продуцентов и употребления ими для этого природных веществ, а затем – использования их как пищи консументами, и постоянного поступления отходов в природу, жизнь прекратилась бы, так как не было бы возврата веществ в процесс круговорота. Однако, пищевые цепи были не всегда: в начале эволюции первыми живыми организмами были экстремофилы, не питавшиеся другими живыми организмами, так как таковых не было; одними из первых и самых простых живых существ были фотосинтезирующие организмы, они использовали реакцию фотосинтеза, то есть не питались другими живыми существами и сами не были пищей для других организмов.

Такие организмы (цианобактерии) сохранились до сих пор, настолько велика их способность к выживанию. Если считать реальным разветвление процесса развития, то за усложнение и повышение уровня организации, уровня приспособленности, необходимо было платить введением «негативной» ветви. Можно проследить это разветвление на примере питания живых организмов и пищевых цепей. Самые высокоорганизованные
животные питаются другими живыми организмами, и сами являются источником пищи, они включены в пищевые цепи как необходимые компоненты. Таким образом, подъем уровня организации привел к появлению хищничества, паразитизма, неэтичности пищевых цепей (питание за счет других, иногда высокоорганизованных, живых организмов). Видимо, такое развитие можно назвать бинарно множественным, c одновременным действием в рамках одного животного или популяции нескольких направлений эволюции, причем во множестве соотношений.

Так как природа продолжает эволюционировать и естественный отбор проявляется на тех территориях, где для этого есть условия, далеко не все природные технологии полностью целесообразны, но, как правило, они существенно целесообразны в том смысле, что поддерживают нормальное состояние природы Земли, не создают опасных и критических загрязнений среды, угрожающих ее существованию. Отдельные опасные явления, сопровождающие иногда природные технологии (извержения вулканов, землетрясения, цунами, штормы, бури, ураганы, смерчи, наводнения и пр.) являются, как правило, вторичными и опасными следствиями целесообразных явлений неживой природы. К ним относятся движения материковых плит, жизнь формирующейся земной коры, ряд в целом полезных атмосферных явлений, течения и передвижения водных масс, и пр.

Природные технологии в целом выгодно отличаются от современной техники своей «мягкой» целесообразностью. В работе Ю. Одума приводится интересный пример сопоставления энергетической эффективности и безотходности двух объектов, функционально схожих между собой: устричной банки и города [86] (рис. 14.3). Город примерно в 70 раз менее эффективен по затратам энергии, и несопоставимо неэффективен по производству неперерабатываемых отходов жизнедеятельности.

Созданные природой живые объекты (флора и фауна), а также применяемые в природной среде технологии отличаются не просто целесообразностью, а именно «мягкой» целесообразностью. Прилагательное «мягкие», используемое в последние годы в инженерной экологии, означает технологии, основанные на природосберегающих, щадящих флору и фауну, природовосстанавливающих принципах, опирающихся на знание экологических законов. То есть, «мягкие» технологии – это вторичные технологии, разработанные человеком на основе знания природных принципов и технологий. В природе же просто нет других объектов природной «техники» и технологий, все они – «мягкие» (с точки зрения поддержания бесконечно долгого существования природы). Хотя c точки зрения человеческой этики, поддержание исключительного
по целесообразности гомеостаза требует множества неэтичных взаимоотношений между живыми организмами, приводит к множеству страданий жертв. Но таков закон бинарной множественности, и негативные c точки зрения человека, неэтичные явления в природе так же целесообразны для ее жизни, как и множество позитивных явлений

missing image file

Рис. 14.3. Сопоставление эффективности природы и техники
(устричная банка требует в 70 раз меньше энергии на м2, чем город,
и не дает не перерабатываемых отходов).

Мягкое управление природой – это наиболее приемлемый способ взаимоотношений c природой – главным образом c помощью естественных механизмов саморегуляции или иногда путем технического конструирования таких механизмов. Оно направлено на восстановление природной среды, на реализацию желательных природных цепных реакций. Мягкое управление природой основывается на восстановлении естественной продуктивности экосистем или ее повышении, причем для этого используются мероприятия, основанные на законах природы. Мягкое взаимодействие c природой предполагает сохранение и восстановление природной среды c учетом законов природы.

«Да Винчи говорил: «Когда вы захотите

Какой-нибудь реке дать новый, лучший путь,

Вы как бы у самой реки спросите,

Куда она сама хотела повернуть».

Мысль Леонардо! Обновись и шествуй,

И вечно торжествуй. На родине моей

Природа и сама стремится к совершенству.

Не мучайте ее, а помогайте ей!» (В. Федоров)

Интересно, что природа полностью сохранилась в неизменном состоянии только на тех территориях, где живут племена, оставшиеся без существенного влияния цивилизации. Их прежнее, сохранившееся невысокое качество жизни совершенно несопоставимо c высоким качеством жизни в современных городах развитых стран. Но сами они обычно вполне удовлетворены качеством своей жизни, хотя c точки зрения современного жителя высокоразвитых стран оно чрезвычайно низко. При этом они выполняют очень важную роль сохранения природы (здесь ярко проявляется закон разветвляющегося развития: за каждый шаг «прогресса» приходится платить, в данном случае – вытеснением естественной природы). Естественная природа жизненно необходима для поддержания всей жизни на Земле, в том числе и для жителей высокоразвитых стран, в существенной степени вытеснивших естественную природу. Например, племя гагуджу (Австралия) сохранило свою землю в неизменном состоянии. Члены племени говорят: «...все живое едино. Земля – наша мать, орел – двоюродный брат. Дерево гонит кровь по нашим жилам. Растут травы, течет вода, и все мы – одно целое...». В их преданиях сказано, что после сотворения мира создатель объявил: «Теперь, когда мы дали вам все сущее, следите, чтобы оно оставалось таким вечно. Менять ничего нельзя. Изменение или разрушение облика земли для них равносильно разорению источника их жизненной силы. Они считают, что белый человек идет другим путем, он принадлежит дороге (то есть, по их представлениям, всему чуждому природе). На сохранившуюся природу человеком возложена несвойственная ей роль усвоения и переработки загрязнений, выбрасываемых в результате человеческой деятельности. И природа справляется c этой задачей, не погибая при условии поддержания экологического равновесия – поступления загрязнений в таком объеме и составе, который природа успевает переработать без гибели. Например, велика целесообразная роль леса и реки как природных технологий в очистке воздуха и воды.

Природная среда вокруг города испытывает антропогенные воздействия и должна быть способна к их усвоению и переработке. В зависимости от направления господствующих ветров возможен перенос разнообразных загрязнений, особенно из дымовых труб, несимметрично в плане; точно так же выбрасываемые в протекающую через город реку загрязнения будут выноситься и постепенно перерабатываться ниже по течению реки. Наиболее загрязненными будут центральная часть города, места осаждения выбросов из труб, прилегающие к городу природные территории по направлению господствующих ветров, река ниже по течению; наиболее загрязнены зоны ограниченного, преимущественного и активного развития и часть зоны экологического равновесия. И только в буферной и компенсационной зонах природа должна находиться в хорошем состоянии. Способность природной среды к самовосстановлению после загрязнения чрезвычайно важна для города. Например, в речной воде процент растворенного кислорода после выброса стоков падает почти до нуля, резко меняется состав беспозвоночных и планктона, а рыбы могут вообще исчезнуть [86]. И только через значительное расстояние (оно зависит от степени загрязненности и состава загрязнений, от скорости и объема стока, от климата и др.) чистота воды в реке и ее флора и фауна начинают постепенно восстанавливаться. Так же обстоит дело и c загрязнением леса и почв. Нужны высокопродуктивные системы, большой процент леса, чтобы эффективнее переработать загрязнения.

Интересен анализ некоторых технологий в природе в сравнении c подобными им процессам и объектам техники, созданным человеком. Например, природные средства транспорта весьма разнообразны (бинарно множественны по способам передвижения, скорости, сфере и пр.) и позволяют достичь значительных скоростей передвижения природных объектов. Высокие скорости передвижения наблюдаются как для наземных животных (передвижение прыжками, бегом), так и для летающих (пикирование животных, передвигающихся c помощью машущего полета) и для плавающих (гидрореактивные движители, плавники и др.). В то же время нормальное передвижение животных – не высокоскоростное, энергоэкономичное, часто c использованием естественных сопутствующих течений воды и воздуха. Высокие же скорости передвижения характерны для исключительных, редких ситуаций – добычи пищи, защиты от нападения, от разрушительных природных явлений и др. Человек передвигался либо c помощью ног, либо (после приручения домашних животных) – c помощью этих животных. Можно отметить также передвижение на искусственных средствах – лодках, судах и др. – со скоростью течения воды или движения ветра. Во всех случаях скорости передвижения были относительно невелики, а преодолеваемые расстояния – обычно несопоставимы c расстояниями между отдельными этносами. Возможно, это было определенным препятствием к смешиванию этносов, введенным природой.

Передвижение живых организмов в природе происходит: по поверхности грунта и растений – шаганием, бегом и прыжками c помощью конечностей, ползанием c помощью конечностей, ползанием c помощью изгибания тела; в грунте – рытьем ходов c помощью конечностей и ротового аппарата, сокращением кожно-мускульного мешка всего тела для раздвигания частиц грунта, гидравлическим движением c сокращением мышц и раздвиганием грунта; в воде – изгибанием тела, c помощью волнообразных движений плавников или мембран, c помощью ластов или непарного хвостового плавника, гидрореактивное, c помощью паруса, глиссированием c помощью хвоста или конечностей, c помощью ресничек и жгутиков, амебоидное; в воздухе – c помощью машущего полета, парения, планирования. Особенности передвижения живых объектов в природе таковы, что, как правило, не наносится ущерб природе. В связи c высокой степенью целесообразности многих природных технологий следует коснуться целесообразности техники и технологий, разработанных человеком. В современной технике преобладает стремление к достижению наиболее высоких скоростей, при этом практически почти не учитываются какие – либо ограничительные экологические требования (за исключением допустимого уровня шума). Использование природных принципов и принципов биопозитивности позволяет получить неожиданные результаты, оценивающие экологическую перспективность различных типов транспорта (например, неэкологичность элементов c высокими скоростями или c повышенным травмированием флоры и фауны). Можно ли преодолеть низкую целесообразность и неэкологичность техносферы? Попытаемся кратко проанализировать общие направления развития техники в сопоставлении c природой. Общие направления развития биопозитивных технологий состоит в том, что биопозитивная техника в идеале должна соответствовать всем принципам биопозитивности, так как именно техника создала многие противоречия между человеком и природой.

Биопозитивными должны быть материалы, технологии, объекты техники, способы их утилизации (рециклирования). Только в этом случае, учитывая невероятное множество материалов, технологий, объектов техники, можно рассчитывать на постепенное восстановление природной среды. В связи c этим интересен анализ техники и технологий в природе, не наносящих ей вреда. Человечество постоянно обращало взгляд на устройство объектов в природе, но вначале следование принципам природы было весьма упрощенным (машущие крылья, одетые на руки человека, и пр.).

Человек издавна создавал биоморфный мир, проектировал биоподобные структуры и их функции. Э. Капп в 1877 году предложил теорию органопроекции, согласно которой объекты техники подобны естественно выросшим органам человека, расширяющим область деятельности и восприятия. Русский исследователь П. Флоренский в 20-х годах нынешнего столетия писал, что «...Техника есть сколок c живого тела, или, точнее c жизненного телообразующего начала; живое тело... есть прообраз всякой техники. Ибо... одно и то же творческое начало – в инстинкте зиждет подсознательно тело c его органами, а в разуме – технику c ее орудиями...» (далее рассматривается функциональное родство пар органов – орудий: плечевой сустав – весы, рука – обрабатывающие станки, ухо – музыкальные инструменты и аппараты звукозаписи, глаз – фотоаппарат, нервная система – технические системы связи, кости – несущие конструкции и др.). Биоморфизм техники базировался на представлении о высокой степени целесообразности структуры и функций живых организмов как следствия длительного процесса эволюции и отбора наиболее жизнеспособных форм, наиболее приспособленных к условиям существования.

Техника и технологии развивались по пути от биологических прототипов (или «катализаторов» – природных объектов или явлений, обусловивших появление технического решения) к усложненным решениям, зачастую не имеющим видимого общего c первоисточниками. Развитие промышленных технологий в будущем, видимо, позволит несколько экологизировать ряд современных технологий, и в то же время уже сейчас в недрах старых загрязняющих среду технологий созревают новые природосберегающие и природовоспроизводящие решения.

Замкнутые технологии, глубокая очистка и утилизация отходов, снижение энергопотребления и материалоемкости, сокращение потребления природных ресурсов постепенно станут, обычны для всех технологий. Далее последуют природоподобные и «умные» технологии, которые потребляют только восполнимые ресурсы и одновременно позволяют накапливать новые антропогенные месторождения и запасать энергию.

В техносфере в настоящее время господствует принцип экономической рентабельности, приведший к господству наиболее производительных машин и технологий, к созданию наиболее продуктивных видов живых организмов и к эксплуатации самых богатых залежей полезных ископаемых. Экономический (искусственный) отбор в технике происходит в неестественном масштабе времени, асинхронно со временем эволюции окружающей среды. При этом получают преимущество технологии,
наиболее быстро перерабатывающие природные ресурсы. В биосфере используется естественный экологический отбор в естественном масштабе времени, синхронный для меняющихся объектов и природной среды. Миграция химических элементов в природе носит медленный характер, обычно она связана c перемещением в земной коре веществ, находящихся в жидком, паро – или газообразном состояниях (подземные воды, магма).

Биогенная миграция, связанная c деятельностью растительного и животного мира, в результате человеческой деятельности получила резкое ускорение. В ходе естественной миграции распределение веществ стало резко неравномерным, образовались богатые геохимические узлы, месторождения. Антропогенная миграция (в том числе добыча веществ, их переработка и др.) происходит асинхронно c природными процессами, техновещество ускоренно повышает активность без связи c реакцией окружающей природной среды.

Широкое применение новых материалов человеком начинается только после нахождения способа их искусственного получения (сталь, каучук, алюминий, медь и др.), для чего разрабатываются в первую очередь наиболее богатые месторождения руд. Все это происходит в «человеческие» сроки (сопоставимые c продолжительностью жизни человека), тогда как образование месторождений – это медленный процесс, длящийся тысячи лет.

Созданные человеком технологии не приводят к сохранению или накоплению полезных ископаемых. Так как сроки обеспеченности человечества минеральными ресурсами сравнительно невелики (отметим, что прогнозы в этой области неточны из-за совершенствования технологий, повышения степени утилизации отходов, разведки новых месторождений), в настоящее время обращается внимание на материалы, которые больше всего распространены в земной коре – кремний (27,72 %) и алюминий (8,13 %), или на возобновимые материалы (древесина и другие органические материалы), а также на наиболее поддающиеся рециклированию (алюминий и др.). Совершенствуется конструирование для снижения материалоемкости.

Одним из направлений экологизации технологий считается создание безотходных, энергосберегающих технологий. Любые экологичные технологии только условно могут быть названы безотходными, так как в действительности технологические процессы даже в природной среде дают небольшое количество отходов, постепенно накапливаемых на Земле в виде осадочных пород. Поэтому можно говорить о малоотходных технологиях, дающих не загрязняющие природную среду отходы в объеме, сопоставимом c объемом отходов в биосферных циклах. Согласно определению Европейской экономической комиссии ООН, «безотходная технология – это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы – производство-потребление – вторичные сырьевые ресурсы таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования» [76]. Из смысла определения вытекает, что в безотходную технологию включается также и сфера потребления, что в производстве используются все компоненты сырья и не нарушается природная среда. В безотходном или малоотходном производствах устраняют как причину образования отходов (применяя новые безотходные технологии), так и следствие (используя образующиеся отходы как сырье для последующих производств). Таким образом, создают последовательно расположенные или даже замкнутые в круговой цикл безотходные производства.

Такой же актуальной, как безотходность, является проблема энергоэкономичности производства: энергоэкономичность технологий и особенно – изделий массового использования (бытовые электроприборы, двигатели, электроника и др.). Проблема создания энергоэкономичных технологий и изделий исключительно интересна: при применении, например, энергоэкономичной бытовой техники и замене устаревшей техники в США станут ненужными 22 крупные электростанции. Японские специалисты подсчитали, что при замене устаревших технологий в сталеплавильном производстве в СНГ на современные энергосберегающие не понадобились бы почти все АЭС. В северном полушарии 40 % энергии идет на отопление и горячее водоснабжение зданий, поэтому очень перспективно строительство энергосберегающих домов. Исследование проблемы безотходности и энергосбережения рекомендуется начинать c анализа потоков материалов и энергии, построения материального и энергетического баланса. Составляя материальный и энергетический балансы для любого производства, можно установить его состав, концентрации, расходные характеристики на любой стадии и в любом месте производственного процесса: например, объемы и состав твердых отходов, концентрацию загрязнений в жидких стоках, количество попадающих в атмосферу сернистых соединений, объем продуктов очистки и др. Возможны следующие этапы составления материального баланса: построение технологической схемы c указанием всех известных потоков материалов и количественных параметров, определение области решения задачи (например, промежуток времени – 1 сутки, или масса поступающего на производство сырья – 1 т), определение сквозных
компонентов (элементов, веществ, проходящих через производственную систему без изменений – вода, воздух, инертные твердые вещества и др.), определение границ системы; материальный и энергетический баланс производства или комплекса оценивается c точки зрения его влияния на окружающую среду, затем при необходимости используются методы промышленной химии, биохимии, разделения, комплексные многоступенчатые системы для обработки и очистки отходов. Уже сейчас разрабатываются и применяются новые технологии, позволяющие резко сократить выбросы вредных веществ: например, при производстве стали предложены новые методы прямого восстановления железа из руды, в которых исключаются промежуточные процессы, особенно сильно загрязняющие среду. Интересны разработки безотходных технологий, в основе которых находится анализ безотходных технологий в природе (уподобление отдельных производств популяциям, а их комплексов – биогеоценозам). Предлагается территориально объединять разнотипные, качественно различные производства, различно обрабатывающие сырье. При этом отходы одного производства служат сырьем для другого, создаются цепи производств, отходы в конце цепи минерализуются до уровня простых химических элементов или соединений, используемых как начальное сырье; внутри комплекса (биогеоценоза) создается подсистема предприятий, собирающих не успевшие утилизироваться или минерализоваться отходы.

Экологичные биотехнологии – это совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов и явлений c помощью биологических агентов. Биотехнологии – это совместное использование биохимии, микробиологии и химических технологий для промышленного применения полезных качеств микроорганизмов. Экологичные биотехнологии – это использование биотехнологий для цели защиты окружающей среды (очистка сточных вод, твердых отходов, почвы, биодеградация отходов, бактериальное выщелачивание минерального сырья, решение ряда проблем в сельском хозяйстве, и др.). В более широком смысле биотехнологии – это промышленные технологии c использованием природных агентов, принципов, приемов, то есть природоподобные технологии. Согласно одному из принципов биопозитивности, природоподобные биотехнологии должны стать технологиями будущего. Ввиду того, что в биотехнологии входят, как частные случаи некоторые новые технологии, которые могут быть опасны для человека и природы (генная, клеточная и экологическая инженерия, инженерная биология), экологичные биотехнологии должны удовлетворять принципам биопозитивности и этики.

Микроорганизмы уже исследуются или используются для получения металлов из минералов: получение железа из пирита, марказита, пирротита, большинства сульфидных рудных тел (добывается также сера); медь – из халькопирита, халькоцита, борнита, овеллита; цинк, кадмий – из сфалерита; никель – из миллерита, пентландита; кобальт – из карролита; молибден – из молибденита; свинец, серебро – из галенита; серебро – из аргентита; мышьяк – из арсенопирита. Для получения металлов могут быть использованы бедные руды или отвалы. Интересно, что обнаружено избирательное взаимодействие минералов и специализированных на данный минерал бактерий («металлофильность» микроорганизмов).

Из бедных руд и даже из сточных вод c помощью микроорганизмов могут быть извлечены марганец, медь, уран, золото. Достоинствами бактериального выщелачивания являются также отсутствие высоких рабочих давлений и температур, легкая нейтрализация образующихся жидких стоков и отсутствие вредных газообразных продуктов, возможность проведения процесса in situ. Эти методы получают все большее распространение: так, в США около 15 % меди извлекают c помощью выщелачивания отвалов. Штаммы углеводородоокисляющих бактерий можно использовать для удаления нефтяных загрязнений воды или почвы. Белая плесень успешно разлагает трудноразлагаемый лигнин (побочный продукт производства бумаги), разрушает ДДТ и отбеливает бумажную пульпу. Экобиотехнологии широко применяют для аэробной и анаэробной очистки сточных вод.

Настоящими «нулевыми» при очистке стоков являются так называемые «живые машины», разработанные в США (living machines), которые представляют собой небольшие экосистемы, создаваемые для очистки загрязненных вод. В этих системах загрязненная вода проходит через несколько бассейнов, населенных водными и болотными растениями, бактериями, водорослями, простейшими живыми организмами, планктоном, улитками, моллюсками, рыбой и прочими мелкими животными. На каждом этапе эта флора и фауна забирает загрязняющие вещества, насыщает воду кислородом, обеззараживает ее и избавляет от патогенных микроорганизмов. Сначала вода проходит через отстойный бак, в который не поступает воздух. В нем осаждаются все тяжелые примеси. Также здесь обитают анаэробные бактерии, которые производят кислоты и метан. Этот этап не нужен, если поступающая вода не слишком загрязнена. Далее сточные воды проходят сквозь биофильтр и гуминовые материалы, утрачивая неприятные запахи. Затем частично очищенная вода проходит закрытый и открытый баки, каждый из которых снабжает воду кислородом и биологическим материалом (мертвые водоросли) для следующих экосистем. В них часть вредных веществ переводится в формы, которые могут переварить растения, проживающие в следующих баках. Планктон питается микроорганизмами и поглощает взвешенные частицы размером до 25 микрометров (молодые особи – до 1 микрометра). Затем планктон становится пищей для рыб и моллюсков. Улитки очищают воду и стенки сосудов от слизи. Как следствие, растениям и организмам поступает больше света (улучшается фотосинтез). Моллюски фильтруют воду и поглощают около 99,5 % коллоидных веществ.

Главное преимущество «живых машин» перед традиционными методами очистки в том, что они полностью экологичны. В них нет никаких сложных и дорогостоящих химических соединений, многоступенчатых систем фильтров и сложных в производстве технических сооружений. Соответственно, проще становится и уход за системой. Кроме того, если обычные очистные сооружения в результате своей работы все равно дают некоторое количество токсичного осадка, то «живые машины» практически все загрязнители переводят в биомассу. «Живые машины» почти полностью состоят из природных компонентов, в то время как для создания традиционных очистных установок природные ресурсы необходимо перерабатывать. Кроме того, доказано, что на получение того же количества чистой воды затраты на энергию в «живых машинах» на 10…25 % ниже.

Нет сомнения, что переход к экологичным технологиям будет очень медленным, постепенным: видимо, вначале, на 1 этапе возможно сокращение выбрасываемых загрязнений, рециклирование, сокращение энергопотребления; 2 этап – полная замкнутость технологических циклов и достижение объема незагрязняющих отходов, равного природному, применение безотходных энергосберегающих технологий; 3 этап – использование только возобновимых ресурсов (в том числе энергии), применение экологичных природоподобных биотехнологий, вплоть до перехода к промышленному фотосинтезу.

В живой природе все ее создания и технологии в той или иной степени являются умными, то есть реагирующими на различные воздействия в соответствии c имеющимися в памяти данными о предпочтительной реакции на эти воздействия (например, смена времени суток, года, и др.), а также поддерживающими нормальные жизненные процессы внутри организма и состояние гомеостаза. Ум живых организмов заключается в информации, содержащейся в их мозге или в заменяющих его органах, а также в своего рода экспертных системах, иногда заложенных в мозг при рождении и совершенствующихся во время жизни. Объекты живой природы могут быть более или менее умными в зависимости от степени сложности их устройства, объема памяти, количества контролируемых параметров среды и др. Понятие «умных» технологий и объектов техники заимствовано из природы и обычно берется в кавычки, что подчеркивает некоторую условность этого термина, тем более, если учесть «умное» развитие человечества, приведшее к возникновению глобальных экологических проблем и поставившее мир на грань экологической катастрофы.

К «умным» объектам относятся объекты техники и технологии, которые содержат в своем составе следующие системы: первичные датчики внешних воздействий и состояний (рецепторы); микропроцессор c заложенной в памяти экспертной системой, сопоставляющей получаемые от первичных датчиков данные c параметрами в экспертной системе и делающей вывод о состоянии объекта и о необходимых последующих действиях; исполнительные механизмы (эффекторы), получающие команды от процессора и меняющие отдельные параметры объекта. Необходимым элементом «умного» объекта техники является наличие искусственного интеллекта, то есть микропроцессора c экспертной системой. Экспертная система является средоточием многолетнего опыта человечества в определенной области деятельности. Экологичность «умных» объектов техники и технологий может быть обусловлена их действиями, направленными на повышение надежности функционирования, снижение экологического риска, повышение качества жизни, сокращение вредных выбросов и др. «Умные» объекты техники и технологии используют технологии живой природы, (табл. 14.2). Управление в живом организме позволяет привести его в заданное состояние, достичь определенных целей или нужных результатов. Управление начинается c процесса развития и получения взрослого организма, далее происходит управление сложившимся организмом. Оно реализуется на разных уровнях – ауторегуляция на уровне химических взаимодействий, внутриклеточная регуляция на субклеточном и клеточном уровнях, физиологическая регуляция – управление кровообращением, дыханием и др.), управление поведением при поиске и добыче пищи и др. Наличие системы управления дает возможность сохранить вид и отдельный организм, а также его структуру и функции в широком диапазоне условий внешней среды, c согласованием форм его активности c абиотическим, биотическим, социальным и в последнее время – даже c техносферным окружением. Функции организма реализуются через кибернетическую и метаболическую системы. На метаболическую систему в общем случае возлагаются задачи доставки веществ из окружающей среды (топлива и субстратов, кислорода), производства энергии, обмена веществ, вывода продуктов обмена из организма; на кибернетическую (управляющую) систему – восприятие поступающей информации от сенсорных систем организма (зрение, слух, осязание и др.) и рецепторов внутренней среды – интерорецепторов (барорецепторы, хеморецепторы, механорецепторы, осморецепторы и др.), обработка этой информации, принятие решений, формирование программ поведения, реализация этих программ через эффекторные системы организма – скелетно-мышечную, нервную, эндокринную, репродуктивную и др.

Таблица 14.2

Принципы устройства «умных» объектов в природе и технике

Параметр

В природе

В технике

Состав систем

Датчики (системы зрения, обоняния, осязания, слуха и др.); нервная система, мозг; мышцы и другие исполнительные механизмы (эффекторы)

Датчики, системы передачи информации, процессор, исполнительные механизмы

Функции систем

Обратная связь (реагирование на опасность, времена года, изменение внешних воздействий, и др.); накопление информации; поддержание нормального состояния

Биологический мониторинг

Обратная связь (реагирование технических объектов на погоду, время года, суток опасность, аварийные состояния, несоблюдение экологических норм эксплуатации и др.); накопление информации; поддержание нормального состояния

Мониторинг, реакция на загрязнения

Место расположения датчиков

Расположение датчиков в наружном покрытии (рецепторов и – др.) или в наиболее ответственных точках и узлах

Расположение различных датчиков в наружном покрытии технических объектов и в наиболее ответственных местах технологического процесса

Наблюдаемые параметры

Свет, цвет, объем, скорость передвижения, температура, влажность, вкус, запах, форма, звук, структура поверхности и др.

То же, и дополнительно ряд параметров: радиоактивное и электромагнитное излучения, наличие вредных выделений, не улавливаемых природными датчиками и др.

Скорость распространения информации

Скорость электрического сигнала, звука, ультразвука, света

Скорость электрического сигнала (по проводам), света (по световодам), звука (в воздушной среде)

Управление в живом организме основано на передаче различных информационных сигналов – например, от терморецепторов кожи сигналы в виде нервных импульсов передаются в управляющую часть системы, затем информация от центра терморегуляции поступает на гладкую мускулатуру кровеносных органов (эффектор) и в результате увеличивается или уменьшается приток тепла c кровью к соответствующему органу. Каналы передачи сигналов в организме образуют прямые и обратные связи. Прямая связь наблюдается при передаче сигнала от начала к концу системы и встречается чаще всего в организации защитных рефлексов простейших животных. В обратной связи наблюдается передача сигналов в обратном направлении – от выхода системы к ее входу. В системах живого организма можно выделить много обратных связей, в то же время в системах авторегуляции имеются многочисленные сложные и разветвленные системы прямых и обратных связей, работающих c взаимным согласованием.

Управление в живом организме направлено в первую очередь на поддержание стационарного неравновесного состояния метаболической системы путем сбалансированной работы комплекса прямых и обратных связей. Более высокий уровень управления организмом предназначен для обеспечения его нужд и потребностей во внешней среде, ориентации и выяснении благоприятных ситуаций, добычи пищи, безопасности и др. Для управления в организме применяется гармоничная работа всех управляющих частей и систем, причем организм сам формулирует цели поведения и определяет пути их достижения. Многообразие взаимоотношений организма со средой и, следовательно, управление им определяется главным образом необходимостью удовлетворения двенадцати типов потребностей – первичных биологических, связанных c сохранением целостности в разных ситуациях, c продолжением вида. Самосохранению и поддержанию жизни организма способствует поддержание гомеостаза – относительного постоянства переменных внутренней среды организма при внешних и внутренних возмущениях. В процессе жизни организма c помощью систем управления осуществляется адаптация к условиям обитания и приспособление к стрессам.

Между живыми организмами и объектами техники имеются существенные аналогии. Многочисленны аналогии между частями управляющей и метаболической систем организма и различными объектами техники и технологий. Одной из существенных аналогий является аналогия управления в природе и технике: в «умной» технике также вначале задается цель, затем подготавливается экспертная система, которая хранит весь предыдущий опыт и позволяет на основе вводимых в эту систему
текущих ограничений и условий определить путь достижения цели (следовательно, экспертная система заменяет мозг и выполняет те же функции), далее реализуется выбранный экспертной системой вариант c использованием текущего управления и контроля на основе обратных связей между рецепторами, эффекторами и «мозгом». В «умной» технике современного уровня используются в основном обратные связи для текущего управления и достижения цели. Но технологии, созданные человеком, пока еще очень далеки по степени негэнтропийности и экологичности от природных.

Многие природные технологии в живой природе отличаются высокой технологической целесообразностью. Живая природа находится в гомеостатическом равновесии c окружающей средой, все живые организмы и экосистемы как высокоорганизованные системы обладают значительной негэнтропией. Самоорганизация и саморегуляция природных систем направлены на достижение равенства нулю их энтропии. Все природные системы «настроены на близкое к нулю значение энтропии –1 при относительной неизменности своих подсистем и надсистем. Для поддержания обратимости процессов, нулевого значения энтропии – 1 возникли механизмы саморегуляции, в том числе иерархия природных систем. … Например, в биотических сообществах контроль за числом и качеством особей идет, начиная c молекулярного уровня (генетический), в ходе естественного отбора, во внутривидовых и межвидовых отношениях, в пределах сообщества (пищевых сетях, при образовании микроклимата), биогеоценоза (соотношением экологических компонентов), экосистем более высокого иерархического уровня вплоть до биосферы, экосферы планеты, Солнечной системы, Галактики» [60]. Отметим еще раз, что общий негэнтропийный баланс технологий, созданных человеком [62], не сопоставим c аналогичным балансом любого живого существа. Живые организмы повышают уровень организованности окружающей природной среды, тогда как все технические устройства «плывут не против всеобщего энтропийного потока, а по его течению, всецело ему подчиняясь, а иногда даже опасно его обгоняя» (ядерное оружие).

Бинарное множество природных технологий отличается тем, что, во-первых, они поддерживают жизнь на Земле. Во-вторых, они в разной степени целесообразны и нецелесообразны (с точки зрения человека), но при этом они дают возможность существовать всему живому. В-третьих, они негэнтропийны, в них используются только возобновимые и рециклируемые материалы. Создать такие же технологии человек пока не в силах. Но целью деятельности человека должно быть создание глубинно природоподобных технологий, поддерживающих гомеостаз и жизнь.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074