Памяти Виктора Георгиевича Горшкова

10 мая 2019 года ушел из жизни Виктор Георгиевич Горшков - профессор, доктор физико-математических наук,  автор научной концепции биотической регуляции окружающей среды. 

Отличительная черта Виктора Георгиевича, как ученого, была способность видеть проблемы не со “стереотипной” стороны, как её видело и продолжает видеть подавляющее большинство специалистов, а с другой – позволяющей открывать в  ней новые, совершенно неожиданные стороны. В  конце 2005 г. им совместно с Анастасией Михайловной Макарьевой выдвинута теория биотического насоса атмосферной влаги, согласно которой девственные леса и болота обеспечивают транспорт влажного воздуха с  океана на сушу. Эта теория однозначно подтверждается анализом накопленных данных по мировым осадкам на суше и  в океане. 

Схема (В.Г.Горшков). Если вырубить леса, ветер не будет дуть с океана и над сушей не выпадут дожди

Опираясь на концептуальный подход к  рассмотрению взаимодействия биоты (флоры и  фауны) с окружающей средой, они доказывают, что:

• существующий природный биотический механизм управления окружающей средой беспрецедентен во Вселенной по своей сложности и эффективности;
• в отсутствие биотического управления окружающая среда и  климат Земли быстро перейдут в состояние, непригодное для жизни человека;
• устойчивое поддержание благоприятных параметров окружающей среды невозможно без сохранения естественных экосистем в глобальных масштабах. 

Ученые стараются привлечь внимание научной общественности и  властей  к  катастрофическим последствиям широкомасштабной ликвидации лесного покрова во многих странах, в том числе в России. В открытом письме от 05.05.2006 г. (Леса как гаранты существования русских рек и жизни на суше (к вопросу о принятии нового Лесного Кодекса))** отмечено: “Получены научные доказательства того, что существование рек и осадков на суше определяется деятельностью ненарушенных естественных лесов. Ненарушенный лес представляет собой живой насос, на основе солнечной энергии закачивающий на сушу атмосферную влагу, испарившуюся с  поверхности океана. Показано, что засухи, пожары, наводнения, а также ураганы и смерчи на суше являются следствием нарушения лесного покрова и прекращения действия лесного насоса влаги. Уничтожение лесов приводит к полному опустыниванию континентов.”

О концепции биотической регуляции окружающей среды и роли лесов в поддержании стабильности климата  В.Г. Горшков и  А.М. Макарьева рассказали  в своем интервью  А.Б. Анапольскому  для журнала «Энергия».

– Биотический насос атмосферной влаги является частью разрабатываемой вами теории биотической регуляции окружающей среды. В чём её суть?

– Каждая особь поддерживает устойчивость внутренней среды своего организма. Но живая особь существует во внешней окружающей среде. Поэтому внутренняя среда жёстко связана с внешней. Для организмов экосистемы, образующих сплошной неподвижный живой слой (это растения, синтезирующие органику, и  мельчайшие организмы  – бактерии и  грибы, её разлагающие), внутренняя среда неотделима от внешней. Суть биотической регуляции состоит в  утверждении, что жизнь поддерживает устойчивость окружающей среды, оптимальной для своего существования. Регуляция окружающей среды является таким же неотъемлемым свойством жизни как, например, питание и размножение. Упорядоченные физические процессы (например, атмосферные вихри, лавины, цунами) возникают в окружающей среде спонтанно. Затем они обязательно распадаются, истратив всю доступную энергию. Живые объекты – сверхсложные, поэтому они спонтанно возникать не могут. Живые объекты появляются только как копии других, столь же сложных живых объектов. Поэтому жизнь не может себе позволить истратить все ресурсы и подвергнуться распаду, как торнадо или ураганы. Уже из этого рассуждения следует, что в  генетическую программу живых организмов обязательно должна быть заложена информация о том, как устойчиво существовать в  окружающей среде и  управлять ею. Это и  есть биотическая регуляция. Она и есть жизнь.

– Какие экспериментальные данные подтверждают теорию биотической регуляции?

 – Какие экспериментальные данные подтверждают основной физический закон – закон сохранения энергии? Все. Такая же ситуация и с биотической регуляцией, которая является законом жизни. Не существует данных, противоречащих теории биотической регуляции. Принятие биотической регуляции как основного закона жизни откладывается лишь потому, что эти данные относятся ко всем без исключения областям науки. Современное научное сообщество, состоящее, в  основном, из узких профессионалов, не может пока должным образом оценить все­ общность и важность этих данных. Не существует альтернативного биотической регуляции непротиворечивого взгляда на жизнь и окружающую среду, который мог бы объяснить наблюдаемое существование жизни в  течение почти четырёх миллиардов лет. Парадоксальная ситуация, в которой существование биотической регуляции требуется доказывать, обусловлена историческим развитием современной естественной науки. Она сформировалась в нестационарной, непрерывно деградирующей окружающей среде современной цивилизации, и впитала эту нестационарность как основополагающий принцип.

Анастасия Макарьева и Виктор Горшков 

 

– Опишите, пожалуйста, ключевые процессы биотической регуляции.

– Главным параметром биотической регуляции любого необходимого для жизни элемента окружающей среды является время оборота  – отношение запаса этого элемента в  окружающей среде к  скорости потока синтеза или разложения его биотой (жизнью). Например, глобальный запас органического углерода в  верхних слоях почвы имеет порядок двух тысяч гигатонн углерода (M ~ 2 10³ Гт C)*

____________

*Jackson R.B. et al. (2017) The Ecology of Soil Carbon: Pools, Vulnerabilities, and Biotic and Abiotic Controls. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 48: 419– 445. URL: https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-112414-054234

* Wei X. et al. (2014) Global pattern of soil carbon losses due to the conversion of forests to agricultural land. Scientific Reports 4: 4062. URL: https://dx.doi. org/ 10.1038/srep04062

*Schmidt M.W.I. et al. (2011) Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature 478: 49–56. URL: https://dx.doi.org/ 10.1038/ nature10386

*Brown S., Lugo A.E. (1990) Effects of forest clearing and succession on the carbon and nitrogen content of soils in Puerto Rico and US Virgin Islands. Plant and Soil 124: 53–64

*Nelson M., Pechurkin N.S., Allen J.P., Somova L.A., Gitelson J.I. (2010) Closed Ecological Systems, Space Life Support and Biospherics. In: Wang L., Ivanov V., Tay JH. (eds) Environmental Biotechnology. Handbook of Environmental Engineering, vol 10. Humana Press, Totowa, NJ. URL: https://doi. org/10.1007/978-1-60327-140-0_11

Они аналогичны попыткам построить вечный двигатель в  физике и характеризуют тот исторический этап, на котором находится современная наука о жизни при игнорировании биотической регуляции. Раз жизнь способна стабилизировать мощные биологические потоки синтеза и разложения, она также будет компенсировать любые отклонения, связанные с геофизическими потоками, которые на много порядков слабее. На Земле происходит медленный выброс углекислого газа из недр планеты со скоростью порядка 10^–2 Гт C/год, то есть в десять тысяч раз слабее потоков биологического синтеза и разложения. За время фанерозоя (последние 600 млн лет) этот поток мог привести к катастрофическому увеличению количества углекислого газа в атмосфере. Однако, как свидетельствуют экспериментальные данные, биота за это время вывела из атмосферы такое же количество углерода, захоронив его в форме органических отложений в осадочных породах. Это один из примеров компенсации абиотического воздействия на окружающую среду. Но главная проблема жизни – это стабилизация окружающей среды, находящейся под воздействием биотических процессов, по мощности превосходящих любые абиотические.

– Как происходит биотическая регуляция в океане?

– Это такой же сложнейший процесс, как и на суше. Что касается регуляции потоков углерода, в океане, благодаря существованию буферных бикарбонатных и  карбонатных ионов, концентрация растворённого СО2 изменяется от атмосферной величины (растворимость близка к единице) у поверхности океана до концентрации в несколько раз выше поверхностной в глубине океана. Это результат функционирования биоты. Если жизнь в океане прекратится, то поверхностная и глубинная концентрации срав няются, и  концентрация СО2 в  атмос фере вырастет в несколько раз. Жизнь в  океане, а  именно аутотрофы, поглощающие углекислый газ в  поверхностном фотическом слое, и  гетеротрофы, разлагающие органику в глубине океана, удерживают атмосферную концентрацию СО2 от увеличения в несколько раз. Изменяя распределение глубин, на которых происходит синтез и разложение органики, биота океана может эффективно регулировать концентрацию атмосферного углекислого газа.

 – Возможен ли технический аналог биотической регуляции?

*Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.,1995.

 

– В чём противоречивость существующих взглядов на жизнь и окружающую среду?

– Если не принимать во внимание биотическую регуляцию, единого взгляда на жизнь и окружающую среду в науке не существует. Теоретическая физика, эволюционная биология, экология и климатология существуют в параллельных мирах.

В физике открыты два фундаментальных закона: закон сохранения энергии (отсутствие вечных двигателей первого рода) и  закон нарастания энтропии (отсутствие вечных двигателей второго рода). Любое упорядоченное состояние с течением времени может в отсутствие притока внешней упорядоченности только терять свою упорядоченность, то есть, подвергаться распаду. Эти законы всеобщи и действуют в биологии, экологии и климатологии.

Необратимость течения времени определяется во всех процессах физического распада законом полураспада. Согласно этому закону, из числа начальных распадных состояний, спустя время полураспада, остаётся половина состояний, тождественных первоначальным. Вторая половина претерпевает спонтанный или индуцированный необратимый распад. Уравнения движения в физике предполагают изотропию времени, то есть возможность замены начальных условий на конечные и  наоборот, что соответствует изменению направления времени. Это связано с тем, что возникающие неупругие процессы происходят с  образованием короткоживущих связанных состояний (резонансов), которые распадаются за времена, на много порядков меньшие времён измерения. Распадающихся возбуждённых состояний нет ни в начале, ни в конце наблюдения.

Уравнения движения в  физике описывают, в  основном, переходы потенциальной энергии в кинетическую. Время при этом описывает периоды колебания маятника (без трения), вращение комет и планет по эллиптическим орбитам и массу взаимодействующих объектов, вращающихся по круговым орбитам (Земля – Солнце). Уравнения движения не содержат информации о скоростях распада упорядоченных процессов (кинетической энергии, возбуждённых распадающихся состояний). Турбулентное трение, описывающее эти процессы распада, вводится произвольно и подгоняется к наблюдениям.

Биология, экология и  климатология имеют в  своём распоряжении только однонаправленное время, определяемое полураспадом первоначальных состояний. Время полураспада в этих науках всегда больше времени измерений (или того же порядка). Замена конечных условий на начальные принципиально невозможна. Это не учитывается должным образом в этих науках.

Неуничтожимость жизни связана с многократным копированием квантовой генетической программы, подчиняющейся закону полураспада. В образовавшейся после копирования популяции квантовых генетических программ необходимо удалить распавшиеся программы, не допуская их копирования. В этом случае во всех поколениях сохранится только нераспавшаяся генетическая программа. Не существует физического процесса, позволяющего отличать норму от распада и удалять распадных особей из популяции. Жизнь открыла уникальную возможность различать норму и распад и удалять распадную часть из популяции. Эта возможность состоит в  построении неквантовых (классических) особей с конечными размерами тела и внутренней средой организма.

Жизнь особи заключается, во­первых, в  построении внутренней среды организма, в которой может быть выполнено копирование квантовой программы (как нормальной, так и распадной) и передача её последующему поколению и, во­вторых, в узнавании нормальными особями распадных особей путём конку­ рентного взаимодействия всех особей в популяции и удалении распадных особей нормальными из популяции. Именно для этого необходим конечный размер тел особей популяции. Внутренняя среда организма особей построена на квантовой генетической программе, но состоит из классических органелл и  органов, которые не подчиняются квантовому закону полураспада и распадаются, не сохраняя информацию о начальном состоянии. Поэтому все особи, нормальные и  распадные, выполнив основные две функции жизни, умирают. Неумирающей остаётся только нормальная генетическая программа.

В эволюционной биологии проблема распада генетической информации жизни отодвинута на задний план и практически не рассматривается. Считается, что все виды адаптируются к  меняющейся окружающей среде за счёт генетического разнообразия, генерируемого за счёт ошибок при копировании генетического материала. Выживает наиболее приспособленный. Однако в эволюционной биологии не существует независимого количественного определения приспособленности (“fitness”). Эволюционная биология ничего не может сообщить о  том, какие именно свойства обеспечивают видам выживание. Не даёт она и  ответа на вопрос, почему произвольно меняющаяся окружающая среда остаётся пригодной для жизни и при любых изменениях обязательно найдётся генетический вариант, приспособленный к новой среде. И по­ чему виды, имеющие наибольшее количество особей (и, следовательно, генетических вариантов), не эволюционируют быстрее тех, у кого этих вариантов мало*.

_____________

* Makarieva A.M., Gorshkov V.G. (2004) On the dependence of speciation rates on species abundance and characteristic population size. Journal of Biosciences 29: 119–128

В  климатологии не существует теории устойчивости климата. Этот вопрос практически не обсуждается. Экология традиционно фокусируется либо на крупных животных, принципиально неспособных к  биотической регуляции, либо на отдельных видах растений, вырванных из своей экологической ниши.

Так называемый антропный принцип подразумевает, что если бы окружающая среда вышла за пределы, пригодные для жизни, то мы бы “здесь не сидели и не могли задать этого вопроса”, то есть, окружающая среда оставалась пригодной для жизни случайно. Однако, учитывая, что случайная раскоррелированность синтеза и разложения может привести к деградации биосферы в течение нескольких лет, случайное поддержание приемлемой для жизни окружающей среды в  течение нескольких миллиардов лет невероятно, даже не принимая во внимание физическую неустойчивость климата Земли.

Эту (не) вероятность эволюционная биология оценить не может. Фундаментальные параметры биосферы такие, как времена оборота основных жизненно важных элементов, не являются частью теоретических построений ни в эволюционной биологии, ни в  экологии, ни в климатологии.

 – Можете привести конкретные примеры противоречий на стыке различных дисциплин?

– Яркий пример противоречий, возникающих на стыке экологии и климатологии, – круговорот углерода, в частности, так называемая проблема исчезнувшего стока (“missing sink”).

В  шестидесятых годах прошлого века, с  появлением работ Килинга (C.D. Keeling), человечество узнало о  росте концентрации атмосферного углерода. Последовали более точные оценки скорости выбросов углекислого газа при сжигании ископаемого топлива, а также оценки поглощения углерода физико-химической системой океана. Стало ясно, что бюджет углерода не сходится: скорость накопления углерода в атмосфере меньше разницы между сжиганием ископаемого топлива и океаническим стоком.

Казалось бы, сразу нужно было обратить внимание на биосферу. Ведь продукция биосферы порядка 100 Гт C/год более чем на порядок превышает антропогенные выбросы углерода. Это значит, что даже небольшой дисбаланс между синтезом и  разложением углерода биотой мог играть значимую роль в бюджете углерода. Однако, поскольку экологи считали, что биота лимитируется биогенами, а  не регулирует их, они долгое время просто не могли поверить, что такая реакция может существовать*
_____________

* Popkin G. (2015) The hunt for the world’s missing carbon. Nature 523: 20–22. URL: https://dx.doi. org/10.1038/523020a

То есть, поскольку количество азота и фосфора, якобы лимитирующих рост растений, не меняется, то не могла, с  точки зрения экологического мэйнстрима, меняться и продуктивность биосферы.

Таким образом, долгое неприятие идеи существования биотического сто­ ка, доказанного впоследствии непосредственными наблюдениями, связано именно с отрицанием биотической регуляции. Если же принять биотическую регуляцию как главный принцип организации жизни, то очевидно, что биота должна реагировать на увеличение концентрации CO2 (возмущение окружающей среды) в  соответствии с  принципом Ле Шателье. То есть, ненарушенная, нормально функционирующая биота должна препятствовать накоплению излишнего атмосферного CO2. При неизменной концентрации азота и фосфора эти излишки биота может убирать в виде не содержащей азота и фосфора органики (углеводов), не доступной для разложения гетеротрофами*.

________________

*Gorshkov V.G., Sherman S.G., Kondratyev K.Ya. (1990) The global carbon cycle change: Le Chatelier principle in the response of biota to changing CO2 concentration in the atmosphere. Il Nuovo Cimento C, 13(5), 801–816.

 Тот факт, что глобальная биота не способна полностью скомпенсировать антропогенные выбросы СО2 (поглощая лишь около трети из них), свидетельствует  о  том, что антропогенное разрушение биосферы превысило порог устойчивости биоты по отношению к  регуляции CO2. Устойчивость климата также была нарушена, однако полной дестабилизации пока могло не произойти, так как главным регулятором приземной температуры является вода – атмосферный водяной пар и облачность.

– В чём суть вышеупомянутой физической неустойчивости климата Земли?

 – Физическая неустойчивость климата Земли связана с зависимостью атмосферной концентрации водяного пара от температуры. Суть парникового эффекта в  том, что атмосфера относительно прозрачна для солнечной радиации, но поглощает тепловую, возвращая половину теплового потока обратно к Земле (рис. 1 а, б). При этом концентрация тепловых фотонов около земной поверхности увеличивается, и поверхность нагревается.

Рис. 1. Схематическое изображение парникового эффекта Земли. Жёлтая стрелка – солнечное излучение, поглощаемое поверхностью Земли. Красные стрелки – тепловое излучение поверхности и парниковых веществ. Синяя стрелка – поток испарения. Числа около стрелок обозначают относительные величины соответствующих потоков энергии. (a) Нулевой парниковый эффект; атмосфера прозрачна по отношению к тепловому излучению. (б) Парниковые вещества поглощают тепловое излучение Земли и перенаправляют половину его обратно к поверхности; Земля излучает в два раза больше и потому теплее чем в (а). (в) Удвоенное количество парниковых веществ; Земля ещё теплее чем в (б). (г) Растения затрачивают половину солнечной радиации на транспирацию; в виде водяного пара эта энергия выносится за пределы “парниковой шубы”; там происходит конденсация с выделением тепла. Эта часть теплового излучения беспрепятственно уходит в космос, парниковый эффект близок к нулю.

Водяной пар – основное парниковое вещество наряду с облачностью и углекислым газом. Его концентрация в  атмосфере увеличивается примерно вдвое с ростом температуры на десять градусов. Чем больше водяного пара в атмосфере, тем ниже пропускная способность атмосферы по отношению к тепловому излучению и, следовательно, тем сильнее нагревается поверхность, а значит, увеличивается концентрация водяного пара и  т.д. Эта дестабилизирующая положительная обратная связь может быстро вывести приземную температуру из узкого, пригодного для жизни интервала*.

_______________

*Горшков В.Г., Макарьева А.М. (2006) Природа наблюдаемой устойчивости климата Земли. Геоэко- логия, № 3 (2006): 483–495.

Жизнь имеет несколько механизмов для предотвращения такого сценария и стабилизации климата Земли. Облачность, помимо того, что является парниковым веществом, также обладает большой отражательной способностью (альбедо). Варьируя свойства облачности с  помощью биогенных ядер конденсации, экосистема может либо усиливать парниковый эффект (если стало слишком холодно), либо увеличивать альбедо и отражать в космос больше солнечной радиации (если стало слишком тепло).

Второй механизм связан собственно с процессами испарения и конденсации (рис. 1г). Лесные экосистемы в  активном состоянии затрачивают более половины поступающей на поверхность солнечной энергии на испарение водяного пара – разрыв межмолекулярных связей воды. Водяной пар поднимается вместе с воздухом и конденсируется в среднем на высоте 4–5 км*.

____________________

*Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Nefiodov A.V., Sheil D., Nobre A.D., Bunyard P., Li B.-L. (2013) The key physical parameters governing frictional dissipation in a precipitating atmosphere. Journal of the Atmospheric Sciences 70: 2916–2929.

Там происходит выделение скрытого тепла, которое бепрепятственно испускается в  космос, минуя “парниковую шубу”. Связано это с тем, что концентрации атмосферных  газов экспоненциально убывают с  высотой, поэтому основная масса парниковых веществ (углекислого газа и водяного пара) находится в нижней части атмосферы ниже высоты конденсации (рис. 1г).

– Что является причиной глобального потепления?

– Как видно из рис. 2, максимальное разрушение ненарушенных экосистем суши произошло в  девятнадцатом и  двадцатом веках. За последние сто пятьдесят лет древесная растительность была уничтожена примерно на 14% поверхности суши*.

_______________

* Andrews T.A. et al. (2016) Effective radiative forcing from historical land use change. Climate Dynamics. URL: https://dx.doi.org/10.1007/s00382-016-3280-7

Рис. 2. Динамика разрушения естественных (первичных) экосистем суши за последние пятьсот лет. Источник: данные взяты из рис. 9а работы Hurtt et al. (2011) Harmonization of land-use scenarios for the period 1500–2100: 600 years of global gridded annual landuse transitions, wood harvest, and resulting secondary lands. Climatic Change 109: 117–161. URL: https://dx.doi.org/10.1007/ s10584-011-0153-2

 Легко оценить, что это разрушение способно объяснить наблюдаемый подъём температуры. Поверхность Земли поглощает около 170 Вт/м2 солнечной радиации. Часть уходит с  поверхности земли в виде тепловых фотонов, ещё часть – в виде явного тепла (подъём теплого воздуха), а  почти половина  – по крайней мере 70 Вт/м2  – идёт на испарение, за которое на суше отвечают растения, в  первую очередь, леса (рис. 1г). Теперь представим, что 14% от 70  Вт/м2 на суше, которая составляет около трети площади поверхности Земли, не затратились на испарение, а превратились в явное тепло на поверхности планеты и усилились парниковым эффектом (рис. 1б). Это привело бы к изменению теплового баланса поверхности планеты не менее чем на 70 ∙ 0.14 ∙ 1/3 = 3 Вт/м2. Это величина того же порядка, что и так называемый радиационный форсинг (radiative forcing) от увеличения количества углекислого газа, оцениваемый из подгоночных глобальных циркуляционных моделей.

– В ваших работах утверждается, что для современной цивилизации основная проблема не в накоплении СО2, а в наращивании энергопотребления. Переход на возобновляемые источники энергии проблемы не решит. Поясните, пожалуйста, это утверждение.

 – Если основная причина дестабилизации климата не СО2, а разрушение естественных экосистем, то борьба с  СО2 не сможет восстановить устойчивости климата. Более того, некоторые меры по борьбе с выбросами CO2, игнорирующие биотическую регуляцию, только ухудшат ситуацию. Это относится к  такой популярной идее возобновляемых источников энергии как биотопливо. Отведение дополнительных площадей под биотопливо приводит к разрушению естественной биоты на этих площадях и, следовательно, к усугублению климатической неустойчивости. Напротив, использование ископаемого топлива при современной численности населения является единственной возможностью сохранить ещё оставшиеся естественные экосистемы (табл. 2).

 Глобальный переход на ископаемое топливо в конце ХIХ века уменьшил антропогенное давление на находившиеся на грани исчезновения леса (рис. 3). Леса начали естественный процесс восстановления, который затормозился лишь во второй половине ХХ века в связи с ростом численности населения.

Рис. 3. Потребление ископаемого топлива и динамика лесного покрова в США. В развивающейся индустриальной цивилизации основным источником энергии была древесина. Потребление древесины неуклонно росло, а площадь лесов сокращалась вплоть до середины девятнадцатого века. Когда потребление ископаемого топлива достигло величины потребления древесины, последнее начало падать, а леса – восстанавливаться. Аналогичные процессы с задержкой на несколько десятилетий произошли в России. Данные Annual Energy Review 2009 (U.S. Energy Information Administration) (левая панель), Fitzjarrald et al. (2001) (лесной покров США*) 1 и Паленовой (2004) (лесной покров России**). 2

* Fitzjarrald D.R. et al. (2001) Climatic Consequences of Leaf Presence in the Eastern United States. Journal of Climate 14: 598–614.

** Паленова М.М. (2004) Общая характеристика видового и возрастного состава древостоев со- временных лесов, сс. 314–324 в “Восточноевропейские леса”, книга 1, отв. ред. О.В. Смирнова, Москва, Наука.

 – Вы пишете, что “сохранение глобальной управляющей функции естественных экосистем возможно только при сокращении энергопотребления на порядок величины”. Однако в  вероятном сценарии мировое потребление первичной энергии за 2015–2040 гг. увеличится на 4 млрд т н.э. и составит 17.5 млрд т н.э (Прогноз развития энергетики мира и России 2016). Возникает вопрос, ре ально ли такое кардинальное сокращение энергопотребления?

– Человек долгое время наращивал подушевое энергопотребление, так как вышел из своего естественного ареала, а  вне этого ареала человеку холодно, негде жить, негде взять одежду, нечего есть. Либо погибнуть, либо наращивать энергопотребление до тех пор, пока не будут покрыты все перечисленные нужды. В развитых странах, где эти базовые потребности удовлетворены, потребление энергии на душу населения больше не растёт. Поэтому современный рост энергопотребления в  первую очередь отражает рост численности населения, который напрямую связан с разрушением ещё оставшихся нетронутых экосистем и заменой их на сельскохозяйственные угодья. Так что единственным решением проблемы является сокращение численности народонаселения.

 – Чем, с вашей точки зрения, объясняется выход человека из своего естественного ареала?

– Человек не просто вышел из своего естественного ареала и захватил практически всю сушу, он продолжает попытки экспансии в глубины океана и за пределы планеты. Экспансия – неотъемлемое свойство всего живого, но у крупных животных она приходит в конфликт с устойчивостью.

Управление окружающей средой возможно только при устойчивой, не распадающейся со временем генетической программе. Способностью к  биотической регуляции обладает только неподвижная биота, образующая экосистему: растения, создающие органические вещества, богатые энергией, и  грибы, и бактерии, разлагающие отмершие части растений на неорганические составляющие, образующие экосистему и замыкающие тем самым круговорот веществ.

Неподвижная биота покрывает сплошным непрерывным живым слоем всю площадь земной поверхности на суше (до  образования пустынь животными и  человеком). Она находится в  условиях отсутствия изобилия пространства*, вещества и  энергии.

________________

* Отсутствие изобилия пространства подразумевает, что всё доступное для жизни пространство занято. Растительность захватывает всё трёхмерное пространство вблизи земной поверхности (у  деревьев это корни в  почве и  крона, поддерживаемая стволом в  воздухе на высоте до нескольких десятков метров). Невозможно добавить другое растение на территорию, занимаемую другим растением. Передвигающиеся же животные существуют в условиях изобилия пространства: на индивидуальной кормовой территории, занимаемой одним животным, может разместиться большое количество таких же животных.

 Поэтому организмы неподвижной биоты не могут увеличить свою численность – некуда и  не из чего. Питается неподвижная экосистема только потоком солнечной радиации и  отмершими своими частями. Живая биомасса неподвижной экосистемы остаётся без изменения и сохраняет неизменной во времени всю генетическую информацию об управлении окружающей средой. Если возникают внешние разрушения окружающей среды с уничтожением неподвижной биоты, за кратчайшие сроки после разрушений неподвижная эко­ система восстанавливается. Это и есть биотическая регуляция окружающей среды*.

________________

* Искусственно разреженный древостой в Финляндии и Швеции, удобный для использования лесопромышленности, не способен к управлению окружающей средой.

Передвигающиеся животные разрушают неподвижную биомассу, управляющую окружающей средой. Это передвижение и разрушение биомассы растений вызвано тем, что потребление пищи на единицу площади проекции животного на земную поверхность в тысячи раз превосходит продукцию органического вещества растениями. Животные не имеют и  не могут иметь генетической информации об управлении окружающей средой, потому что не могут быть распластаны в неподвижном живом слое и одновременно присутствовать во всех областях своей кормовой территории. Поэтому все животные являются паразитами неподвижной экосистемы, приготавливающей для них пригодную для жизни окружающую среду.

Цивилизация старается не допускать, чтобы бандиты и  гангстеры, отнимающие у трудового населения производимую ими продукцию, потребляли значительную часть полной продукции цивилизации. Естественная биота поступает точно так же. В генетической програм ме всех естественных животных (но не культурных пород и  сортов) записано единственное условие сохранения биотической регуляции и жизни. Согласно наблюдениям, в ненарушенных устойчивых экосистемах суши крупные животные в совокупности потребляют не более 1% продукции неподвижной экосистемы*.

_____________

*Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Li B.-L. (2004) Body size, energy consumption and allometric scaling: a  new dimension in the diversity-stability debate. Ecological Complexity, 1, 139–175. URL: https://doi. org/10.1016/j.ecocom.2004.02.003

 

Эта величина соответствует естественным нарушениям неподвижной экосистемы (извержениям вулканов, ветровалам, половодьям). Это условие задаёт строго определённую кормовую территорию животного, отточенной по величине за сотни миллионов лет эволюции*.

_________

*Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Li B.-L. (2005) Why do population density and inverse home range scale differently with body size? Implications for ecosystem stability. Ecological Complexity, 2, 259–271. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecocom.2005.04.006

 

Все виды биоты производят потомков с нормальной и распавшейся в соответствии с временем полураспада генетической программой. Распадные особи с неправильной программой удаляются из популяции. Все территории ареала должны быть заняты нормальными особями. Для распадных особей места не должно оставаться. Это условие выполнено только для организмов неподвижной экосистемы. Для животных, живущих в  изобилии биомассы, пищи и пространства на кормовой территории, существует труднопреодолимая неустойчивость по отношению к росту численности особей на кормовой территории и  уничтожению всей живой биомассы (гибели животных вместе с неподвижной экосистемой) в ареале этих животных.

Таким образом, животные существуют в тисках двух противоречащих друг другу требований, записанных в их генетической программе. Это, с одной стороны, ограничение потребления продукции неподвижной экосистемы величиной порядка 1%. С другой стороны, это необходимость ликвидации существующего изобилия пищи, вещества и энергии. Выполнение обоих этих требований, гарантирующих устойчивое существование вида животного в  экосистеме, осуществимо лишь в пределах ограниченного естественного ареала (карты распространения вида).

При любых естественных разрушениях частей ареала нормальным особям необходимо в кратчайшие сроки заполнить ареал, не допустив распространения в нём распадных особей с искажённой генетической программой. Это достигается экспансией популяций, увеличением рождаемости, ликвидацией изобилия пространства в образовавшейся части ареала и быстрым возвращением к нормальной рождаемости, стационарно компенсируемой смертностью. Благодаря дополнительному энергопотреблению (сжиганию биомассы деревьев) человек не вымер, выйдя за пределы своего естественного ареала. Вне этого ареала генетическая информация об ограничении потребления в  естественном ареале утратила смысл. Осталась активизированной только вторая часть генетической программы – необходимость экспансии. Именно она стоит за попытками человека освоить всю земную поверхность, проникнуть в глубины океана и космоса.

 – Таким образом, вы полагаете, что сокращение глобальной численности населения – единственный способ избежать планетарного экологического коллапса?

 – Как мы обсудили выше, человек  – крупное передвигающееся животное, генетически запрограммированное на разрушение живой биомассы. Несмотря на свою отличительную особенность – способность к накапливанию и  передаче другим поколениям культурной информации – человек, как и остальные животные, не обладает информацией об управлении окружающей средой. Разрушительная роль таких животных в биосфере может быть ограничена единственным способом – уменьшением их численности. У человека, как и у других животных, нет как такового биологического инстинкта к продолжению рода. Есть инстинкт спаривания, за которым в природе неизбежно следует рождение потомства. Генетическая программа заботы о потомстве не активируется до появления потомства. Поэтому люди испытывают физические страдания, не имея возможности заниматься сексом, но не от отсутствия деторождения. В силу этих биологических особенностей человека распространение контрацептивов и привело к добровольному глобальному падению рождаемости. Именно с добровольным сокращением рождаемости связан единственный оптимистичный сценарий развития нашей цивилизации. Можно надеяться на то, что окружающая среда и климат Земли не успеют необратимо разрушиться, пока население сокращается до экологически приемлемой величины (то есть на два порядка). Если рост населения не заменится его добровольным сокращением, реализуется пессимистичный сценарий развития нашей цивилизации с ядерной войной, коллапсом наземных и  океанических экосистем и полным вымиранием человечества вместе с остальными крупными передвигающимися животными. Восстановят ли одноклеточные организмы биотическую регуляцию после этой катастрофы, узнать будет некому.

 – Вернёмся к лесам и биотическому насосу. Опишите, пожалуйста, ключе вые моменты новых научных результатов, отмеченных в Открытом письме (см. вводную часть).

 – Новое можно понять на основе старого. В качестве основной причины возникновения ветра в метеорологии рассматривается горизонтальный градиент температуры. Давление тёплого воздуха с  высотой убывает медленнее, чем давление холодного. Если мы нагреем какую-то область у земной поверхности, в верхних слоях атмосферы над ней образуется избыточное давление, и воздух вверху начнёт оттуда уходить. Давление на поверхности Земли не зависит от температуры и равно весу атмосферного столба. Поэтому, как только воздух вверху уйдёт из нагретой области, давление у поверхности упадёт. В  образовавшуюся область пониженного давления начнёт поступать воздух из близлежащих более холодных областей. Для замыкания циркуляции в  тёплой области воздух должен подниматься, а  в  холодной  – опускаться. Эта картина не позволяет количественно оценить мощность образовавшейся циркуляции. При заданных градиентах давления для определения скорости ветра необходимо знать силу турбулентного трения. Общей теории атмосферной турбулентности не существует. Поэтому параметры турбулентности в  моделях атмосферной циркуляции подгоняются так, чтобы наблюдаемые горизонтальные градиенты температуры генерировали наблюдаемые ветры. При этом возникают множественные несостыковки, указывающие на то, что основная физическая идея неверная.

Новая картина состоит в следующем. На горизонтальных масштабах, превышающих высоту атмосферы, основной вклад в трение на земной поверхности вносит вес атмосферного столба, по аналогии с трением покоя*.

_____________

*Makarieva A.M., Gorshkov V.G. (2009) Condensation-induced dynamic gas fluxes in a mixture of condensable and non-condensable gases. Physics Letters A 373: 2801–2804.

Простыми словами, самое “трудное” – “оторвать” воздух от земли, чтобы он начал подниматься. Во влажной атмосфере при конденсации возникает некомпенсированный вертикальный градиент давления, связанный с  исчезновением водяного пара из газовой фазы (в первых работах мы назвали его “силой испарения”). Сила испарения направлена вверх и работает против силы трения, позволяя влажному воздуху относительно легко подниматься. В сухом воздухе сила испарения отсутствует, и трение покоя препятствует возникновению циркуляции. Таким образом, при одних и  тех же градиентах давления (какова бы ни была их природа) циркуляция во влажном воздухе оказывается по крайней мере на порядок интенсивнее, чем в сухом. Предсказанием этой теории является утверждение о том, что мощность ветровой циркуляции должна быть пропорциональна мощности осадков.

В наших первых работах мы описали силу испарения, используя фундаментальные атмосферные параметры (высоты распределения воздуха и водяного пара). В  последующих работах мы показали, что наблюдаемая мощность ветровой циркуляции как в глобальном масштабе, так и на масштабе конденсационных вихрей (ураганов и  торнадо), хорошо согласуется с  предсказаниями новой теории. Альтернативной теоретической оценки мощности глобальной циркуляции в метеорологической литературе нет.

Из этой новой физической картины следуют важные для человечества следствия. Поскольку лес эффективно запасает влагу в  почве и  интенсивно её испаряет, воздух над лесом всегда влажный и, следовательно, легко поднимается (так как при подъёме происходит охлаждение и конденсация). Этот подъём компенсируется притоком влажного воздуха из близлежащих областей, например, с океана. Приносимая с океана влага выпадает в виде осадков над лесом и компенсирует речной сток. Таким образом, пока есть лес, идёт дождь, и текут реки. Можно сказать и так: чтобы ходить, необходимы ноги, чтобы летать – крылья, а чтобы распространить жизнь из океана вглубь суши, биоте нужно было создать леса. Если лес исчезнет, то круговорот воды на суше станет в среднем на порядок менее интенсивным, а в глубине суши прекратится вовсе. Это утверждение также является новым. Оно составляет суть концепции биотического насоса атмосферной влаги (лесного насоса)*.

______________

* Gorshkov V.G., Makarieva A.M. (2007) Biotic pump of atmospheric moisture as driver of the hydrological cycle on land. Hydrology and Earth System Sciences 11: 1013–1033.

– В ваших расчётах указывается, что запас пресной воды на суше может стечь в океан через речной сток за 4 года, если не будет восполняться. Традиционно считается, что ветер приносит влагу на сушу в количестве, не зависящем от присутствия или отсутствия леса. Согласно вашей теории, биотический насос обеспечивает постоянный приток влаги и равномерное распределение осадков на территориях, удалённых на тысячи километров от океана. Каким образом работает лесной насос и что способствует перемещению водяного пара на такие расстояния?

– Глобальные оценки запасов пресной воды на суше и речного стока впервые были проведены российским гидрологом Марком Исааковичем Львовичем. Эти оценки впоследствии неоднократно уточнялись и в настоящее время хорошо известны специалистам, так что это не наш результат. Интересно, что время оборота пресной воды на суше (то есть отношение запаса воды к речному стоку) имеет тот же порядок величины (несколько лет), что и время оборота атмосферного углерода через продукцию биоты (запас 700 Гт C при потоке 100 Гт C/год).

Лес способен управлять испарением, конденсацией и переносом водяного пара из области испарения над океаном в область конденсации над лесом (см. ответ на предыдущий вопрос). Стягивая водяной пар, испарившийся над океаном, лес уносит с  океанов энергию, необходимую для возникновения ураганов и распределяет эту энергию на осадки и ветер над лесом, компенсируя речной сток в океан. Процессы в биоте на много порядков величины сложнее любых геофизических процессов. Описать в деталях биофизику действия биотического насоса вряд ли когда-либо удастся. Поэтому указание на существование биотического лесного насоса может быть получено из непосредственных наблюдений за распределениями осадков, ветров, давления и  температуры над лесом, океанами, соприкасающимися с речными лесными бассейнами и лишёнными леса территориями суши. Это сделано нами для основных глобальных территорий суши и океанов. Мы указываем, что сплошной ненарушенный лес зрелых высоких деревьев, покрывающий несколько миллионов квадратных километров, обладает возможностями 1) увеличивать испарение в десятки раз по сравнению с открытой поверхностью океанов, 2) распределять осадки испарившейся влаги с помощью регуляции давления и ветра, вызываемых конденсацией и  испусканием биологических аэрозольных ядер конденсации*,

____________

* Muller A. et al. 2017 Evidence of a reduction in cloud condensation nuclei activity of water-soluble aerosols caused by biogenic emissions in a cooltemperate forest. Scientific Reports URL: https:// 10.1038/s41598-017-08112-9

3) устранять возникновение ураганов и  смерчей с  помощью регуляции сопротивления ветру листового покрытия древесных крон высоких деревьев и множеством других особенностей леса, которые пока неизвестны.

– Как показали ваши работы, уничтожение лесного покрова береговой полосы свыше 600 км обрывает действие лесного насоса, и  осадки в  глубине континента перестают компенсировать речной сток. Почему же тогда Западная Европа, на 9/10 лишившаяся своих естественных лесов, не подверглась опустыниванию?

 – Западная Европа не является естественным ареалом вида Homo sapiens. Освоение чужих ареалов (ареал – это карта обитания вида) стало возможным только благодаря использованию древесины леса для отопления, постройки домов и  приготовления пищи. Без уничтожения лесов человек не смог бы выйти из своего ареала. Почему Западная Европа стала “колыбелью цивилизации”? Потому, что до человека это была самая богатая жизнью, устойчивым климатом, влагооборотом область на всей планете. После уничтожения лесов, осадки влаги, испарившейся в океанах, перестают поступать в глубины континента и выпадают на прибрежной полосе, вызывая наводнения, чередуемые с засухами. Биота суши теряет над ними управление. На островных государствах (Ирландии, Англии) после полного уничтожения лесного покрова осадки остаются под властью “прихотей” океанов.

Западная Европа, благодаря Средиземному морю, по сути является островным государством и страдает то от наводнений, то от засух. Она не стала пустыней из-за существования Евразийского лесного пояса России, засасывающего влагу, в основном, с Атлантического океана через Западную Европу. Уничтожение лесов России скажется, в первую очередь, на климате Западной Европы. Последняя должна была бы быть крайне заинтересована в сохранении российских лесов. Леса необходимо защищать для сохранения осадков и  рек, и  регуляции климата. Лес это не возобновляемый “ресурс” биосферы, не запас углерода древесины, пригодной для использования человеком. Лес не источник кислорода. Кислород атмосферы имеет массу, в тысячу раз большую массы всего органического углерода в лесах. Кислород атмосферы не может управляться биотой и человеком. Даже если будет сожжена вся биомасса лесов и  всего ископаемого топлива, включая каменный уголь, масса кислорода в атмосфере изменится не более чем на 1% (это однозначно следует из наблюдаемого количества кислорода в атмосфере и органического углерода в ископаемом топливе). Это меньше величины разницы концентрации кислорода между Петербургом и  Москвой, определяемой разницей в  атмосферных давлениях. Кислород регулируется водной биотой только в растворённом виде в океанах, озёрах и реках.

– В каких регионах проводилась количественная оценка климатического влияния лесов, и каковы основные результаты?

– Мы продемонстрировали воздействие лесов на наблюдаемые осадки в  Евразийском лесном поясе длиной 7 тыс. км и  шириной более 1 тыс. км, в Амазонии и Конго, в Австралии, в Канаде и на Аляске*.

______________

* Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Li B.-L. (2013) Revisiting forest impact on atmospheric water vapor transport and precipitation. Theoretical and Applied Climatology 111: 79–96. URL: https://dx.doi. org/10.1007/s00704–012–0643–9

Показано, что летом евразийский лес стягивает осадки с океанов. Осадки в океанах летом меньше, чем над лесом. Зимой, когда лес не активен, наоборот. Зимний лесной покров подобран так, чтобы осадки в  виде снега были оптимальны, вплоть до весны и паводков. То же в Амазонии и Конго, в Канаде и на Аляске. В  Австралии осадков над сушей всегда намного меньше, чем над океаном и в сухой, и в относительно влажный сезоны.

 – К чему приведёт дальнейшее игнорирование определяющей роли ненарушенных экосистем Земли в поддержании устойчивости окружающей среды и климата?

– К разрушению пригодной для жизни человека окружающей среды. Разрушение лесов приведёт к  разрушению круговорота воды на суше, полному опустыниванию и прекращению жизни на суше. Жизнь может сохраняться только в прибрежных областях суши, граничащих с мировым океаном. При современной эксплуатации лесов это может произойти в течение столетия. Климат Земли, пригодный для жизни в океане, может сохраниться из-за невозможности разрушения биотической регуляции окружающей среды океана ничтожным по величине биомассы фитопланктоном, недоступным для поедания крупными животными и  человеком.

 – Какие первоочередные меры позволят снизить наносимый ущерб природным экосистемам?

 – Первоочередные меры должны быть направлены на сохранение лесов мира с полной ликвидацией лесопромышленности в  них (с  переводом производства древесины на плантации) и запретом проведения дорог через леса, запретом средств технического передвижения по лесным рекам и по воздуху над лесом. Леса должны быть доступны только для естественной, немоторизованной рекреации. Необходимо, чтобы средства массовой информации формировали представления о непрестижности занятости в любых отраслях, связанных с уничтожением лесов.

Важная задача  – повышение образованности людей в  области знаний о  природе, лишь в  этом случае такие меры будут поддержаны и населением, и  руководителями государств. Наша глобально скоррелированная цивилизация* подобна многоклеточному организму, который пытается регулировать свою внутреннюю среду, а  взаимоотношения с  внешней средой свёл к  поглощению ресурсов и  выбросу экскрементов.

______________

*Некоторые аспекты глобальной скоррелированности нашей цивилизации входят в понятие “глобализации”; людей, протестующих против неё, называют антиглобалистами.

Специалистов, имеющих общее представление об окружающей среде и биосфере и принципах её функционирования, просто нет. Подобно узкоспецифичным клеткам тела животного, современные эксперты обладают знаниями лишь в какой-то одной области. Необходимо прорваться через границы этих областей и сформировать компетентное сообщество учёных-универсалов*.

______________

* Помимо этого, распространение компьютерных моделей и распределение грантов на основании цитируемости в  естественных науках привели к  частичному вытеснению научных исследований профанацией

 Нельзя не отметить такие усилия в России, в частности, организацию нового международного журнала Russian Journal of Ecosystem Ecology (главный редактор Ольга Всеволодовна Смирнова). Цель журнала  – способствовать изучению функционирования экосистем во всей его полноте. Нам удалось сформировать международную научную группу из выдающихся специалистов, заинтересовавшихся идеями биотической регуляции. Это небольшая, но очень активная группа. Например, наш соавтор профессор Антонио Донато Нобре из Бразилии ведёт активную общественную образовательную деятельность с  использованием наших общих результатов. Сейчас он участвует в подготовке общественного иска граждан Бразилии к правительству, которое  своими действиями по уничтожению лесов и распродаже ресурсов ставит под угрозу выживание страны как таковой. Мы полагаем, что, несмотря на все трудности, идеи биотической регуляции будут распространяться, этому может способствовать любой человек.

Наш сайт www.bioticregulation.ru, телеграм канал @bioticregulation