Николай Печуркин - Энергия и жизнь

• Название: Энергия и жизнь
• Автор: Николай Печуркин
• Издательство: Наука, сибирское отделение
• Жанр: Биофизика
• Год: 1988

Что движет эволюцию жизни на нашей планете? В каком направлении развивается жизнь? Отчего «процветают» примитивные паразиты? Может ли разум человека влиять на судьбы Вселенной? На эти (и близкие им) вопросы делает попытку ответить автор, развивая энергетический подход к изучению живой природы.

Книга будет интересна для биологов, физиков, химиков, биофизиков, а также всех интересующихся общими вопросами развития.

---

Эмпирически к настоящему времени нащупывается выход из очень сложной ситуации с растущим загрязнением среды. Он заключается в разработке промежуточных систем, играющих роль буфера между выходом интенсивной системы очистки и «входом» биосферы. Обычно это выделенный участок ранее существовавшей экосистемы, довольно большой по размерам, с ярко выраженной модификацией, произведенной человеком (например, в нашей стране мелиорированные лиманы на Черном море, рукава Волги, Дона, старицы Оби, Енисея с примыкающей территорией и т. д.). Увеличенный размер и уменьшенные скорости деструкции загрязнителей отличают такую сложную систему от интенсивных специализированных систем. Кроме того, такие буферные системы характеризуются разветвлением потоков, наличием циклов по ряду веществ и организацией биотического круговорота в гидро- и педосфере. Это сближает их с природными экосистемами, однако заданные функции самоочищения в них более специализированы и более интенсифицированы, чем в природе. Такие системы можно отнести к управляемым экологическим системам (УЭС), функционирование которых направлено на выполнение определенных функций, задаваемых человеком.

Сельское хозяйство, являясь одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, видимо, еще долго будет оставаться в этой неприглядной роли. Помимо эрозии почв почти по всей планете сельскохозяйственное производство широким потоком «распыляет» в биосфере специальные ядовитые соединения типа гербицидов и пестицидов. Увы, пока без таких соединений не обойтись, а химизация сельского хозяйства приносит большую выгоду. Выгода несомненна и сиюминутна, вред от применения пестицидов не столь очевиден, но, к сожалению, он долговременен. Мы знаем, как пестициды накапливаются в цепях питания, концентрируясь в организме человека в сотни тысяч и миллионы раз. Есть ли выход из создавшегося положения? Конечно, он связан с использованием биологических методов борьбы с вредителями. Эти методы имеют неоспоримые преимущества перед химическими. Вот главные: высокая избирательность действия, а следовательно, и безвредность для человека; возможность длительного существования действующего агента (например, растущей популяции организмов, паразитирующей на вредителе); меньшая вероятность появления устойчивых форм вредителя к патогенным организмам, чем к химикатам. Это последнее свойство особенно интересно в эволюционном плане, так как паразитирующая на вредителе и тем самым работающая на человека популяция быстро адаптируется к новым устойчивым вариантам хозяина. Это позволяет надолго сохранять вирулентность патогена [Печуркин, 1978].

Биологические методы пока намного дороже, чем химические, и не столь эффективны, производство биологических препаратов не налажено в больших масштабах, но и эти затруднения не принципиальны. Как мы говорили, эти сложности имеют технологическую природу, а значит, преодолимы. В наше время наиболее перспективно использование комбинированных способов борьбы: химия + биология с постепенным и неотвратимым наращиванием вклада биологии.

Очень сходна ситуация с использованием гербицидов: и здесь возникают сложности с химическим загрязнением среды. Хотя применение гербицидов для безотвальной обработки почвы позволяет избегать эрозии (но энергетически недешево!), их накопление в окружающей среде грозит большими неприятностями. Эффект аккумуляции более опасен, так как гербицидов для полного уничтожения целых армий сорняков требуется во много раз больше, чем пестицидов против вредителей. И здесь выход — в переходе к биологической системе земледелия (это мы обсуждали в предыдущем разделе). Потребуются более высокая культура земледелия, строгое выполнение правил агротехники и другие очевидные вещи.

Большой интерес для будущего представляет нетрадиционная форма ведения сельского хозяйства. Современное сельское хозяйство потому и неэффективно и громоздко, что оно рассеяно по поверхности планеты, «размазано» по большим площадям. К настоящему времени разработано несколько схем гигантских биофабрик (биотронов) с почти замкнутыми экологическими системами и с практически безотходным производством.

Другой вариант развития нетрадиционных вариантов сельского хозяйства связан с заменой дефицитного животного белка на белок одноклеточных или соевых растений. Производство дрожжевого белка вышло на рубеж 1 млн т/год в 80-е годы и продолжает нарастать. Перспективы его производства высоки из-за чрезвычайно больших скоростей прироста биомассы, которые в тысячи раз выше, чем скорости прироста животного белка. И в то же время аминокислотный состав, особенно по квоте незаменимых аминокислот, может быть аналогичен составу животного белка. Но пожалуй, одно из главных преимуществ — возможность его наработки на непищевом сырье: это сопутствующие парафины нефти; отходы древесины и сельскохозяйственных растений; низкокалорийные для сжигания бурые угли, торфы и др. Одна из проблем, связанных с очищением микробного белка от избыточных нуклеиновых кислот, тоже может быть отнесена к разряду технологических, т. е. решаемых. Энергетическая стоимость готового продукта на основе белков микроорганизмов, пока еще довольно высокая, может быть снижена в несколько раз по сравнению со стоимостью белков говядины, производимой традиционными путями. То же относится и к выработке белка из бобовых растений. Поэтому в 90-е годы в ряде развитых стран планируется заменить 10–25% мясо-молочных продуктов растительными и микробными белками, по виду, вкусу и качеству близкими к изделиям, сейчас выпускаемым из молока и мяса.

Со второй половины нашего столетия возросла активность математического прогнозирования глобального развития эколого-экономических процессов на нашей планете. И это не удивительно. Очень резко поднялись темпы изменения лика биосферы в наше время. Каждый год конца нашего века в этом смысле стоит десятилетия его начала, столетия средних веков и тысячелетий палеолита. Поэтому необходимость количественных прогнозов очевидна. Быстрое развитие вычислительной техники позволило осуществлять расчеты динамики развития биосоциальных систем в глобальных масштабах. До сих пор мы могли изучать закономерности биосферы как уникального объекта главным образом в ретроспекции. Экспериментировать с биосферой мы не можем и не имеем права. Имитационные эксперименты на ЭВМ являются единственной возможностью системных исследований биосферы.

Первые попытки формализовать глобальное описание экологических процессов предприняты по инициативе «Римского клуба» — неофициальной организации, одним из создателей которой стал известный итальянский предприниматель Аурелио Печчеи. В первых докладах «Римскому клубу» были проанализированы модели развития общества и среды в многомерном фазовом пространстве, компонентами которого были производственные, социальные и экологические процессы (модели Форрестера и Медоузов). Если результаты расчетов по первым моделям показались обескураживающими, типа полной остановки роста экономики и снижения числа людей на планете, то в дальнейшем удалось выявить условия сбалансированного развития экологии и экономики. При этом совершенно необходимым требованием было существенное увеличение трат на охрану окружающей среды во всех вариантах положительных прогнозов (модель «ГЕЯ», СССР).

Не имея возможности проанализировать детально результаты прогнозов развития человечества в биосфере, коротко остановимся на одном из них, самом ужасном — глобальном термоядерном конфликте. С точки зрения действия энергетических принципов этот вариант не биологичен, т. е. противоречит тенденции постоянного роста энергетики и умощнения круговорота в живой природе, так как связан с глобальными разрушениями и уничтожением большого числа живых и промышленных объектов. Однако законы социального развития могут иметь свое, в том числе и трагическое для человечества, обоснование.

И по радиоактивному, и по химическому загрязнению, и по изменению климатических условий (резкое похолодание) глобальный ядерный конфликт окажется гибельным для человека и ряда высших животных и растений если не в первом, то в последующих поколениях (см. [Природа, 1985, № 6, ряд статей советских ученых]). Сама жизнь на планете не будет уничтожена, но ей придется отступить на уже пройденные позиции. Хочется верить, что вступление в ноосферу состоится в ближайшем будущем и что оно будет связано с видом Homo sapiens.

Глава 11. Что дает энергетический подход для теоретической биологии, или попытка ответить на вопросы «почему»?

Многие вещи нам не понятны не потому, что наши понятия слабы, но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий.

Козьма Прутков

11.1. Почему жизнь дискретна