Научные основы концепции устойчивого развития. Тема 5

1. Научные основы концепции устойчивого развития

2. В.И. Вернадский и его учение о биосфере и ноосфере

В. И. Вернадский
- российский естествоиспытатель,
мыслитель и общественный деятель. Основоположник
комплекса современных наук о Земле – геохимии,
биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др.; создатель
многих научных школ.
В центре его естественнонаучных и философских интересов –
разработка целостного учения о биосфере, живом веществе
(организующем земную оболочку) и эволюции биосферы в
ноосферу, в которой человеческий разум и деятельность,
научная мысль становятся определяющим фактором развития,
мощной силой, сравнимой по своему воздействию на природу
с геологическими процессами

3.

В структуре биосферы В. И. Вернадский выделял семь видов вещества:
1) живое;
2) биогенное (возникшее из живого или подвергшееся переработке);
3) косное (абиотическое, образованное вне жизни);
4)биокосное (возникшее на стыке живого и неживого, к биокосному, по Вернадскому,
относится почва);
5) вещество в стадии радиоактивного распада;
6) рассеянные атомы;
7) вещество космического происхождения.
Методы и подходы кристаллографии В. И. Вернадский распространял на вещество
живых организмов. Живое вещество развивается в реальном пространстве, которое
обладает определенной структурой, симметрией и диссиметрией.

4.

Важным этапом необратимой эволюции биосферы В. И. Вернадский считал ее
переход в стадию ноосферы (рис. 1). Центральной темой учения о ноосфере
является единство биосферы и человечества.
Основные предпосылки возникновения ноосферы:
1) расселение Homo sapiens по всей поверхности
планеты и его победа в соревновании с другими
биологическими видами;
2) развитие всепланетных систем связи, создание
единой для человечества информационной системы;
3) открытие таких новых источников энергии, как
атомная,
после
чего
деятельность
человека
становится важной геологической силой;
4) победа демократий и доступ к управлению широких
народных масс;
5) все более широкое вовлечение людей в занятия
наукой, что также делает человечество геологической
силой.
Рисунок 1 – Переход в стадию ноосферы

5. Дж. Лавлок и гипотеза «Гея»

Джеймс Лавлок – английский ученый, родился в Лондоне. После окончания
учебы работал в Национальном институте медицинских исследований. Затем,
недолгое время проработав в НАСА, в 1964 году Лавлок объявил себя
независимым ученым, свободным от любых ограничений, связанных с
влиянием международных компаний на направление научных исследований.
Два года спустя обнаружил присутствие в атмосфере хлорфторуглеродов
(ХФУ). Лавлок стал широко известен благодаря гипотезе, впервые выдвинутой
им в книге «Гея».

6.

Согласно концепции Геи, предложенной в 1972 г., эволюция биоты
настолько тесно связана с эволюцией их физического окружения в масштабе
планеты, что вместе они составляют Нечто, единую саморазвивающуюся
систему, которая обладает саморегуляторными свойствами, напоминающими
физиологические свойства живого организма. Это нечто и названо Геей по
имени греческой богини Земли.
Итак, Гея как своего рода самоорганизующая система, суперорганизм,
который обладает саморегуляторными «геофизиологическими» свойствами,
т.е. поддерживает целый ряд параметров внутренней среды в относительно
стабильном, благоприятном для живых организмов уровне (гомеостаз в
любом временном срезе).
Собственно гипотеза Геи и состоит в утверждении,
что в планетарном масштабе жизнь активно
поддерживает относительно стабильные условия на
Земле,
комфортные
для
собственного
существования. Иначе говоря, биота организует
глобальные
параметры
среды,
непрерывно
подстраивая
их
«под
себя»,
в
процессе
собственного эволюционного развития (гомеорез).

7. В. Г. Горшков и гипотеза биотической регуляции биосферы

Гипотеза биотической регуляции окружающей среды разработа творческим коллективом
под руководством отечественного ученого-биофизика Виктора Георгиевича Горшкова.
Внимание исследователей было сосредоточено на механизмах и условиях поддержания
такого термического, влажностного и химического состава атмосферы, при котором на
планете могут существовать высшие формы жизни, в том числе – человек.
Условия, пригодные для высших форм жизни, определяются планетарным балансом
углерода – выделенного в атмосферу и поглощенного из нее. Расчеты с применением
математических моделей показали, что этот баланс с высокой степенью точности сводится
естественными экосистемами, способными, до определенного предела, компенсировать и
антропогенные возмущения.
Биотическая регуляция осуществляется взаимоувязанным функционированием всех живых
организмов экосистемы. Информация, необходимая для такой работы содержится в
геномах естественных видов. Технологический аналог биотической регуляции в
обозримое время создать нельзя.

8. Системный анализ, синергетика и глобальные социально-экологические проблемы

В 60-е годы 20 в. была выдвинута идея создания общей теории систем, которую
нередко называли системным анализом. Тогда ее главной целью было изучение
сходных по смыслу и структуре понятий, законов и моделей в разных ветвях науки с
целью переноса идей и принципов решения задач из одной в другую.
Развитие системного анализа явилось одним из важных условий становления нового
междисциплинарного научного направления, получившего название «синергетика»
(от греч. synergos — совместно действующий). Синергетика изучает закономерности
образования и разрушения упорядоченных структур в любых сложных
неравновесных системах, каковыми являются большинство природных и социальных
систем.
Пригожин доказал, что путей, по которым пойдет возмущенная система в поисках
новой равновесной структуры может быть несколько. Выбор того или другого
зависит от случайных факторов и в принципе не может быть спрогнозирован. Точку,
в которой появляется возможность разных направлений эволюции, с тех пор в
научной публицистике стали называть точкой бифуркации.

9.

В нашей стране развитие синергетики или теории самоорганизации систем
было связано с именем ученого, специалиста в области прикладной
математики Сергея Павловича Курдюмова, и сложившегося вокруг него
круга исследователей разного профиля. Они стимулировали развитие
синергетического подхода к анализу комплекса проблем нашей страны —
экологических, экономических, демографических и др., словом к
проблематике перехода России к устойчивому развитию.
Н. Н. Моисеев – оценивал современные взаимоотношения природы и
общества как далекие от согласованных и чрезвычайно опасные для
дальнейшего существования разумной жизни на Земле. Путь выхода из
сложившейся ситуации, по его мнению, состоял в коренном изменении
нравственных ориентиров человечества. Однако он не видел реальных
механизмов, способных осуществить такие изменения.

10. Становление концепции рационального природопользования

Она начала свое становление с конца 50-х годов ХХ в. прежде всего в трудах выдающегося
отечественного географа Д. Л. Арманда (1905 — 1976) и была им в полном объеме
оформлена в вышедшей в 1964 г. книге «Нам и внукам».
В этой работе обоснован комплексный подход к охране и использованию природных
ресурсов, позволяющий обеспечить их сохранение и возобновление, а не деградацию. Этот
подход позже получил название «рациональное природопользование». Главные его
положения, прежде не высказывавшиеся сводились к следующему:
1)Окружающая среда и природные блага — приоритетные и вечные ценности человечества.
2)Природные блага должны быть справедливо распределены между нынешними и будущими
поколениями.
3)Природопользование должно быть платным.
4)Природоохранные и природо-восстановительные
сравнительно долгий срок окупаемости.
затраты
эффективны,
несмотря
на

11.

Юрий Константинович Ефремов — один из главных разработчиков первого
отечественного закона «Об охране природы в РСФСР». В этом законе нашли
отражение такие идеи, как: а) единство охраны и использования природы; б)
необходимость сохранения девственной природы; в) ответственность государства
и общества за сохранение природы.
Философско-теоретическое
обоснование
концепции
рационального
природопользования было дано в работах выдающегося отечественного
экономико-географа Владимира Андреевича Анучина. Основные принципы:
а) не расходовать возобновимых ресурсов больше, чем может возобновиться;
б) не отправлять в отход то, что не может разложиться естественным образом;
в) не превышать демографической и хозяйственной емкости территорий и т. п.

12. Анализ геосистем. Основные понятия

Система — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих
элементов, качества и возможности которой не являются результатом
простого суммирования качеств и возможностей ее составных частей.
Любая система обладает той или иной структурой. С точки зрения
структуры различают системы однородные и дополнительные:
Однородные:
Отличительным
признаком
однородных
структур является однотипность элементов.
Их примером могут быть сливающиеся
водотоки первого порядка, образующие
элементарный бассейн. Элементы таких
систем дублируют друг друга, а, значит,
являются легко заменяемыми. Утрата
некоторого их количества не приведет
систему в критическое состояние.
Дополнительные:
Составляющие элементы разнородны и, в
общем случае, не заменяемы (хотя одни
элементы в определенных ситуациях могут
частично
брать
на
себя
функции
других).Например, фация или урочище, в
которых литогенная основа, растительность,
почва,
микроклимат
являются
составляющими
систему
подсистемами.
Возмущающий
сигнал
в
некоторых
подсистемах дополнительных систем может
распространяться с усилением.

13.

Среди дополнительных систем есть группа, представляющая особенный
интерес для экологической проблематики и разработки стратегии устойчивого
развития. Эти системы часто называют иерархическими. Элементы
иерархической системы сгруппированы в уровни или подсистемы.
Уровни имеют вертикальную соподчиненность, т. е. верхние уровни управляют
нижними. При движении от нижнего уровня к верхнему количество элементов
сокращается. Между элементами и уровнями системы существуют прямые и
обратные связи.
Связи, которые выстраиваются в пределах одного уровня, называются
горизонтальными связями, а те, что связывают уровни между собой (в прямом и
обратном направлениях) — вертикальными связями.
Ряд особенностей таких систем позволяет им «восстанавливать» или
«перестраивать» себя в ответ на внешние возмущения. Время, в течение
которого система отреагирует на возникшее возмущение, в системном анализе
называют характерным временем.

14.

Понятию «устойчивость системы» в системном анализе может быть дано двоякое
толкование.
В первом случае под устойчивостью понимается неизменность системы во времени
или пространстве при воздействии на нее внешних или внутренних возмущений.
Такое понимание устойчивости не очень приветствуется и для него предлагается
использовать термин «стабильность».
Во втором случае под устойчивостью понимается способность системы
противостоять внешним и внутренним возмущениям, сохраняя равновесное
состояние, а также структуру, характер функционирования и траекторию
движения в течение относительно продолжительного времени, сопоставимого с
характерным временем системы.

15. Механизмы сохранения состояния системы

Суть инерционного механизма состоит в том, что с увеличением массы тела уменьшается
его реакция на одиночный импульс, увеличивается время реакции на длительное
воздействие. Инерционность или замедленность реакции позволяет системе сохранить ряд
своих свойств неизменными, если возмущающее воздействие существенно короче
характерного времени системы.
Ограничение обмена системы с окружающей средой — едва ли не самый распространенный
механизм поддержания жизнеспособности системы в критических состояниях. Наиболее
широкое распространение он получил в живых системах с разнообразием морфологических
(кожный покров, кора, хитиновый скелет насекомых, перья, шерсть, одежда) и
физиологических (зимняя спячка, анабиоз, семена, споры, зародыш) способах контроля
этого процесса.
К пассивным механизмам, поддерживающим устойчивое состояние системы, относится и
проточность. Чужеродные вещества, попавшие в систему, могут быть удалены, вымыты. В
так называемых каскадных системах проточными оказываются все звенья каскада кроме
последнего. Это важно учитывать при анализе загрязнения водоемов разного порядка и
степени проточности. Атмосфера Земли, почвы гумидных территорий, организмы растений
и животных, трофические и производственные цепи, отчасти — человеческая память,
являются примерами проточных систем.

16.

Три последних механизма — положительная, отрицательная и конкурентная
обратные связи — относятся к активным стабилизаторам состояния системы.
Суть их состоит в том, что активное внешнее воздействие включает в системе
программу нейтрализации, следуя которой система ослабляет его.
Один из вариантов ослабления обеспечивается с помощью отрицательных
обратных связей. В этом случае возмущающий импульс, пройдя по цепи
обратной связи, складывается с новым импульсом с обратным знаком и гасит
его.
Положительные и конкурентные обратные связи больше известны в качестве
механизмов, уводящих систему от одного устойчивого состояния к другому.

17. Механизмы сохранения типа функционирования

Механизмов, обеспечивающих решение этой задачи несколько, среди них надежность,
эластичность и «разбегание» по экологическим нишам, в пространстве и времени.
Основным средством повышения надежности является дублирование элементов
(подсистем), выполняющих одни и те же функции. Тогда, при выходе из строя
элемента, система продолжает действовать, как и раньше, опираясь на сохранившиеся.
Эластичность предполагает возможность замены одного элемента системы,
оказавшегося неэффективным в изменившихся новых условиях другим, более
подходящим.
Рассредоточение подсистем по разным экологическим нишам — обычный способ
сосуществования видов в многовидовом сообществе, позволяющий оптимально
использовать его ресурсы. Для растительных сообществ характерно также «разбегание»
во времени, выражающееся в несовпадении периодов цветения, плодоношения и т. п.
разных растений одного сообщества. «Разбегание» в пространстве больше характерно
для элементов социальных систем. В природных оно выражается, например, в наличии
«своей» территории у хищников.

18. Механизмы сохранения структуры

Сохранение структуры, как правило, обеспечивается изменением параметров состояния.
Выделяют шесть таких механизмов.
Механизм включения резервных (аварийных) программ характерен для систем с
развитым саморегулированием. Пример: Наиболее известная — регенерация тканей и
органов у живых организмов, например — хвоста у ящериц.
Еще одним механизмом сохранения структуры системы является двигательная
адаптация. Она свойственна, прежде всего, животным и человеку и заключается в их
перемещении из среды с худшими или опасными условиями в более благоприятные. У
растений этот механизм выражается в вытягивании стеблей и развороте листьев
растений в сторону максимальной освещенности.
Преобразование внешней среды как способ сохранения структуры системы свойственно
только человеку и животным. Оно заключается, прежде всего, в сооружении разного
рода защитных укрытий от неблагоприятных условий среды и от внешних врагов (прежде
всего — для молоди). Пример: Это гнезда, норы, бобровые плотины, муравейники и. т. п.

19.

Весьма мощным предохранительным механизмом является объединение организмов в
системы более высокого ранга. Это — симбиоз, комменсализм (дополнительные системы),
стаи и коллективы. Такие объединения приобретают дополнительную жизнеспособность и
устойчивость.
Еще один механизм сохранение структуры системы — это накопление вещества, энергии и
информации. Особенно заметна его работа среди организмов, обитающих в экстремальных
условиях внешней среды. Механизм накопления запасов работает и в системах высокого
ранга. В этом случае правильнее будет говорить о механизме резервирования, причем не
только вещественно-энергетических потоков, но и информации. Пример: Сохранность
генетической информации об отдельных видах и сообществах обеспечивается
биологическим и ландшафтным разнообразием.
Последний механизм, о котором необходимо сказать в этом разделе — это адаптационная
эволюция. Ее суть заключена в тезисе «измениться, чтобы сохраниться». При развитии
жизни от одноклеточных организмов к многоклеточным сохранились основные особенности
строения клетки; при выходе животных из воды на сушу сохранили свои функции
скелетномышечная, нервная, кровеносная и некоторые другие системы.

20. Механизмы сохранения траектории движения

В случае растительных сообществ, можно говорить о механизме «если…,
то…», позволяющем максимально точно соотнести изменения условий
существования сообщества, его состав и структуру. Особенно хорошо это
видно в случае восстановления растительности после катастрофы или
первичного заселения поверхности.
В отличие от названных механизмов инерционного типа, существуют
механизмы самоорганизации. Эти механизмы, строго говоря, нельзя
рассматривать как механизмы сохранения траектории движения. После
прохождения точки бифуркации траектория развития системы может
сильно измениться. Однако это может способствовать сохранению
состояния или типа функционирования системы.

21. Закономерности действия стабилизационных механизмов

Запуск системой тех или иных стабилизационных механизмов определяется: а) характерным
временем реакции элементов системы; б) уровнем организации системы; в)
пространственными размерами системы.
Если время реакции системы на возмущающее воздействие много меньше времени ее
существования (что характерно, прежде всего, для организменного уровня),
преимущественными механизмами стабилизации являются положительные, отрицательные и
конкурентные обратные связи и резервные программы.
В сложно устроенных системах ранга растительных сообществ, где продолжительность
жизни системы существенно превосходит период существования отдельных ее элементов,
преобладают механизмы эластичности (например, смена доминантов) и рассредоточение в
пространстве.
В наиболее просто организованных абиотических системах сохранение инварианта (ядра
устойчивости) преимущественно идет по типу инерции. В биотических системах работают
различные обратные связи, а механизмы самоорганизации проявляются лишь в
эволюционном развитии форм жизни. В жизнедеятельности человеческого общества
механизмы самоорганизации являются преобладающими.

22. Факторы устойчивости

Важным условием успешной работы механизмов регуляции является
скорость протекания возмущающих процессов.
Для группы механизмов, которую можно назвать механизмами
самоорганизации (например, механизмы обратной связи, надежность,
эластичность,
механизмы
включения
резервных
программ
и
преобразования внешней среды) и которые преобладают в природных
системах, необходимо изобилие вещественных и энергетических
ресурсов.
Для группы инерционных механизмов (ограничение обмена, проточность)
благоприятными условиями считаются условия спокойной, защищенной от
внешних влияний среды с минимальным притоком вещества, энергии и
информации.

23. Запас устойчивости и критические состояния

Запас устойчивости — это удаленность текущего состояния системы от
критического или различие между предельно допустимым и фактическим
состоянием системы.
За критическим состоянием (точкой бифуркации) наступает переход системы в
«новый бассейн устойчивости» (к устойчивости с другими характеристиками
системы).
Оценку запаса устойчивости систем предлагается выполнять в долях или %
размера всего интервала устойчивости, в единицах энергии или вещества,
имеющихся в системе, утраченных системой или требующихся на
компенсацию возникшей неустойчивости.
При анализе текущего состояния системы определяют:
1.
факт начала движения системы в сторону неустойчивости;
2. параметры текущего
естественного равновесия.
состояния
системы,
вышедшей
из
состояния

24. Экономическое значение сохранения и устойчивого использования биологических ресурсов

Биологические ресурсы — это природные источники получения
необходимых человеку материальных благ (пищи, сырья для
промышленности, материала для селекции культурных растений,
сельскохозяйственных животных, микроорганизмов, для рекреационного
использования, а также в целях фармацевтики и медицины).
За счет способности организмов размножаться все биологические ресурсы
являются возобновимыми, однако человек должен поддерживать условия,
при которых возобновимость этих ресурсов будет осуществляться.

25.

Потребность в пищевых ресурсах человек обеспечивает
главным образом за счет того, что выращивает различные
сорта культурных растений и разводит домашних
животных. Сельское хозяйство является жизненно
необходимой отраслью народного хозяйства. Уровень его
развития в значительной степени предопределяется
уровень экономической безопасности страны в целом. В
общем виде значение сельского хозяйства в экономике
страны представлено на рисунке 2.
Современная
медицина
проявляет
интерес
к
биологическим ресурсам, надеясь найти новые виды
лекарств. Бытует мнение, что чем шире разнообразие
живых существ, тем больше существует возможностей
для открытия новых лекарств. Развитие современной
медицины дает нам широкий спектр возможностей
профилактики и лечения многих заболеваний.
Рисунок 2 – Сферы влияния сельского хозяйства

26. Причины снижения биоразнообразия

нарушение среды обитания в результате вырубки лесов, распашки новых земель,
осушения болот и мелиорации, орошения засушливых земель, добычи полезных
ископаемых, строительства дорог, городов, нефте– и газопроводов, линий
электропередачи, плотин на реках и т. п.;
прямое уничтожение некоторых видов животных для защиты сельскохозяйственной
продукции (истребление хищников, грызунов, диких животных, поедающих урожай);
случайное уничтожение животных (гибель животных на автомобильных дорогах, в
результате военных действий);
чрезмерный отстрел или отлов рыбы (браконьерство, охота);
интродукция чужих видов (вымирание коренных представителей флоры и фауны под
влиянием завезенных видов);
загрязнение окружающей природной среды (гибель различных видов растений и животных
при действии загрязнителей биосферы нефтью, нефтепродуктами, химическими
удобрениями,
пестицидами,
выхлопными
газами
автотранспорта,
токсичными
промышленными и сельскохозяйственными отходами и т. п.).

27. Глобальные и локальные выгоды, их несовпадение и необходимость корректировки; роль Глобального экологического фонда

То, что невыгодно для отдельного региона, страны может оказаться жизненно важным для
других стран, всей планеты. Например, вырубка тропических лесов, утрата редких видов
флоры и фауны в отдельных странах оказывают негативное воздействие на биосферу всей
планеты. Локальные выгоды от таких действий гораздо меньше глобальной выгоды от
сохранения этих природных ресурсов. В то же время в случае сохранения природных благ
на локальном уровне (охраняемые территории, леса и пр.) местное население не получит
выгоды, а, наоборот, может ухудшить свое благосостояние. Эта ситуация типична для
многих развивающихся стран.
Для практического разрешения этого противоречия на международном уровне создан
Глобальный экологический фонд (GEF), основная цель которого - инвестировать
природоохранные мероприятия, не дающие значительной локальной выгоды (сохранение
биоразнообразия, тропических лесов и пр.), но важные для всей планеты.

28.

В показателях затрат и выгод явление несовпадения глобальных и
локальных выгод можно описать следующим образом:
Bd - Cd <0 (1),где
Bd ‒ локальные выгоды;
Cd ‒ локальные затраты.
Превышение локальных затрат над локальными выгодами (1) показывает,
что для местного сообщества невыгодно сохранять биоразнообразие, и в
этом случае будет использован другой природоемкий вариант развития.
Эта ситуация, к сожалению, характерна для всего мира.
Для случая программ/проектов по предотвращению глобального изменения
климата в соотношении (1.1) на страновом и региональном уровнях выгоды
могут превышать затраты:
Bd - Cd >0 (1.1)
Основным условием выгодности сохранения биоразнообразия для мирового
сообщества в данном регионе является следующее условие (с учетом (1) и
(1.1)):
(Вd + Bg) – Cd >0 (1.2), где
Bg – глобальные выгоды.
Соотношение (1.2) показывает необходимость превышения суммы локальных
и глобальных выгод над локальными затратами.

29. Основное экономическое условие сохранения биоразнообразия, сравнение с альтернативными вариантами его использования

Основным экономическим условием сохранения биоразнообразия
является следующее:
Bb – Cb > Ba – Ca (2), где
Bb и Cb - соответственно выгоды и затраты от сохранения биоразнообразия;
Ba и Ca - соответственно выгоды и затраты от альтернативных вариантов
использования территории.
Формула (2) и ее возможные модификации по существу предполагают учет
альтернативных стоимостей для сохранения биоразнообразия, т.е. выгод,
которые теряют индивидуумы или общество из-за, например, консервации
территорий.