От учения о ноосфере к теории развития ноосферы. Система «Гея»

Любое управление, управляемое или направляемое развитие - мы позднее поясним, какое различие кроется в этих терминах, - всегда предполагает существование цели или целей. «Бесцельное управление» - сочетание, не имеющее смысла ни на одном языке. До тех пор, пока эволюция шла без вмешательства Разума, она носила стихийный характер. Это был естественный процесс самоорганизации материи, или, если использовать модный термин, проявление ее синергетических, особенностей.

Но теперь возник Разум, и мы должны говорить о целях, ибо, направляя те или иные усилия, Разум стремится достичь преследуемых рубежей - определенных целей. Но Разум - это мы, люди, это наш коллективный Разум. Это он в эпоху ноосферы принимает на себя ответственность за дальнейший ход развития, следовательно, речь идет и о нашем развитии. Каким же оно должно быть? Каковы же должны быть цели нашего развития, то есть развития человечества и его цивилизации?

Ученые во все времена говорили о гармонии между Природой и Человеком. Об этом писали и античные философы, и французские энциклопедисты, и русские космисты. Говоря о гармонии, обычно имелось в виду такое поведение человечества, которое вписывалось бы в естественное развитие Земли. Минимальное воздействие на Природу, сохранение ее в первозданном состоянии, предельная «близость» Человека к окружающей природе, - вот что обычно имелось в виду, когда речь шла о гармонии. Эти рассуждения были очень наивны и не носили научного характера. Скорее они отражали извечное стремление людей быть ближе к окружающей среде, снять все противоречия между Человеком и Природой.

О гармонии говорили также и П. Тейяр-де-Шарден и В. И. Вернадский. Но теперь уже смысл понятия гармонии был совсем иным. Диалектик и естествоиспытатель В. И. Вернадский хорошо понимал, что ничто на Земле не может быть стабильным, вечным, идеальным. Мир есть и будет соткан из противоречий. Человек всегда вмешиваться в окружающую его среду, ее для себя. Вся логика развития жизни на Земле привела к тому, что именно Человек, его деятельность сделались основными факторами эволюции биосферы. И обратного пути нет. Вот почему основная задача науки, цель науки и человеческих действий не в том, чтобы сохранить мир в его первозданном виде, а найти такие формы взаимодействия Человека и Природы, которые бы обеспечивали совместное [развитие] биосферы и человеческой популяции как ее неотъемлемой составной части. Биосфера может, прожить Тез Человека. Человек существовать вне биосферы не может.

Вот такое понимание гармонии Человека и биосферы, когда он, активно вмешиваясь в природные процессы, сохраняет ее состояние пригодным для своего существования и одновременно направляет развитие человечества так, чтобы оно было способно не только адаптироваться к изменяющимся условиям жизни, но и идти дальше по пути своего развития и процветания, теперь принято называть коэволюцией Человека и биосферы - синоним понятия гармонии. Вступление человечества в эпоху ноосферы означает, что и эволюция Земли вошла в новое русло. Ее дальнейшее течение должно обеспечить коэволюцию Человека и биосферы - необходимое условие дальнейшего развития общества, и гармония в подобном смысле слова не может возникнуть стихийно. Кроме того, Человек теперь способен очень легко переступить ту «роковую черту», ту грань, за которой начнутся необратимые процессы изменения условий его существования. За этой чертой биосфера начнет переходить в новое состояние, предсказать свойства которого мы не можем - не можем в принципе. Такова реальность. И не исключена возможность того, что в этом новом состоянии биосферы места в ней для Человека и не окажется. Вот почему человечество должно быть способным предвидеть результаты своих действий, уметь оценивать состояние биосферы и заранее знать, где находится та запретная черта, которая отделяет возможность дальнейшего развития цивилизации от ее более или менее быстрого угасания.

Наука впервые сталкивается с подобными проблемами и еще не создала инструмента, с помощью которого она была бы способна решить задачи подобной сложности.

Формулируя понятие коэволюции, я специально употребил слова «направляемое развитие», а не управляемое развитие. Когда говорят об управлении, то четко указывают цель - корабль должен приплыть в данный, вполне определенный порт. Состояние человечества больше напоминает другой корабль, который ищет проход в рифовом барьере. Он еще не знает, где этот проход, но уже твердо знает, что не должен напороться на рифы. Но для этого он должен видеть эти рифы и понимать, какие буруны, которые он, может быть, и видит, означают смертельную опасность для его судна.

Таким образом, важнейшая задача современной науки - создать инструмент, способный увидеть этот рифовый барьер, эту запретную черту, рубеж, переступать который человечество не должно ни при каких обстоятельствах! Мы знаем, сколь трудна эта задача и что нужный нам инструмент возникнет не сразу. Его создание потребует времени и усилий большого количества ученых самых разных специальностей.

В начале 70-х годов вокруг подобных вопросов у нас в стране возникла дискуссия. Ее породили лекции покойного Н. В. Тимофеева-Ресовского, прочитанные в Вычислительном центре АН СССР, публикация работ В. И. Вернадского, инициативы Римского клуба и ЮНЕСКО, организовавшего специальные семинары, но главной причиной, я думаю, было «давление обстоятельств». Наверное, в тот период во многих научных организациях стали формироваться свои исследовательские позиции.

В Вычислительном центре АН СССР в 1972 году мы пришли к выводу, что решение проблем глобального масштаба неизбежно потребует построения математической модели биосферы, рассматриваемой как единое целое. Такое его изучение стало на повестку дня! И мы поняли, что как бы ни была фантастической задача математического моделирования биосферы, без ее решения наука не могла рассчитывать ни на какое продвижение в исследовании общих свойств окружающей среды и ее способности противостоять возможным воздействиям со стороны Человека. А создать такой прецедент, то есть вести крупномасштабное прямое экспериментирование с биосферой, невозможно в принципе. Оно не только стоит баснословно дорого, но и опасно, опасно для жизни человечества. Таким образом, математическая модель является единственным средством получения информации о возможном состоянии биосферы вследствие крупномасштабных воздействий на нее Человека.

Вычислительный центр АН СССР

Математическая модель любого объекта или процесса представляет собой его описание средствами математики. Уравнения модели, равенства и неравенства, различного вида ограничения, которые туда входят, позволяют имитировать поведение объекта в различных условиях. Возможность имитации достигается тем, что мы с помощью вычислительной машины можем предсказать изменение его поведения в зависимости от изменения тех или иных условий, которые описываются параметрами модели. Таким образом, меняя по нашему выбору параметры модели, мы можем проводить разнообразные эксперименты, изучать, как при этом изменяются свойства моделируемого объекта. Другими словами, воспроизводить в электронной машине те или иные фрагмены «возможной реальности».

Создание модели - это важнейший этап развития любой теории. И прежде всего она должна уметь объяснять наблюдаемые факты, то есть достаточно хорошо отражать реальность. Но этого еще мало. Хорошая теория, как говорят физики, должна уметь «заглядывать за угол», предсказывать возможность появления фактов, о которых мы еще даже не знаем и не догадываемся.

Теория движения, созданная И. Ньютоном, позволяет предсказать траекторию камня, который мы собираемся бросить. Более того, она позволила однажды предсказать существование планеты Нептун и даже указать его точное местоположение. Когда астрономы по указанию математиков направили туда телескопы, то обнаружили там светящуюся точку, которая и оказалась новой планетой.

Таким образом, математическая модель - это не только кодирование знаний, которые уже существуют у людей, но и неизвестных фактов, которым еще предстоит превратиться в знания. Следовательно, одной из важнейших задач науки является изучение модели, извлечение из нее (если угодно - раскодирование) той информации, тех потенциальных знаний, которые в ней заложены.

Заметим, что все сказанное касается не только математических моделей. Математика - это язык, необходимый для количественного описания. Модели могут представлять собою описания и на естественном языке - русском, французском, английском... И они могут обладать большой предсказательной силой. Таблица Менделеева не была математической моделью, но она, как мы знаем, обладает удивительной прогностической силой. Аналогичные примеры мы встречаем и в гуманитарных науках, в науках об обществе. Одним из ярких примеров является предсказание К. Марксом неизбежной концентрации капитала на основе созданной им модели капитализма XIX века. Только для извлечения знаний из вербальных моделей мы используем не методы математики, а другие способы познания - логику, ассоциации, аналогии и т. д.

Но вернемся снова к проблемам ноосферы. В. И. Вернадским, его учениками и последователями была разработана общая концепция ноосферы - учение о биосфере и ее переходе в ноосферу. Оно заставило ученых увидеть многое в новом ракурсе, оказало влияние на организацию научных программ, создало философскую и методологическую базу для новых исследований. Но в последние десятилетия стало нужным нечто большее. Возникла необходимость превращения учения в теорию, оснащенную средствами предвидения, способную давать не только качественные, но и количественные оценки. И первым шагом в создании такой теории должна была, по нашему представлению, стать система математических моделей биосферы - своеобразная экспериментальная установка, которая позволила бы изучать ее реакции на действия людей, которая позволила бы однажды найти сакраментальную «роковую черту» - границу дозволенных действий человека, границу его активности.

Начало этих работ датируется 1972 годом, когда после семинара ЮНЕСКО в Венеции, где возникла дискуссия о путях развития глобальных исследований, мы сформировали в Вычислительном центре АН СССР свою естественнонаучную позицию, основные фрагменты которой я только что изложил.

Итак, математическая модель биосферы. Как она должна быть устроена? Что должно быть в нее включено? Какова должна быть ее организация?

Биосфера включает в себя атмосферу. Следовательно, в пашей модели должна быть отражена динамика атмосферы, тем или иным образом описано движение воздушных масс, того воздуха, которым мы дышим и в котором мы живем. И не только движение, но и энергетика атмосферы, которая почти не задерживает солнечного света, а нагревается теплом, то есть инфракрасным излучением поверхности Земли и океана. И огромную роль играют еще два фактора. Во-первых, это испарение и конденсация влаги, образование облаков, снега, льда, выпадение осадков. Изменение фазового состояния воды приводит к большой затрате или выделению энергии и является одной из причин, определяющих состояние атмосферы, а следовательно, и климата. Кроме того, количество осадков, характер облаков, их распределение по территории, влажность атмосферы и почвы наряду с распределением температур является важнейшим фактором, влияющим па состояние живой части биосферы, которая носит название биоты и включает в себя флору и фауну.

Второй фактор, определяющий энергетику атмосферы, - это взаимодействие океана и атмосферы. Один хороший шторм в Северной Атлантике передает атмосфере больше энергии, чем за целый год она получает непосредственно от солнечной радиации. Таким образом, модель должна быть способной описывать процессы энергетики океана, его взаимодействия с атмосферой, образования морского льда и т. д.

Очень важной характеристикой динамики биосферы является активность ее биотической части. В зависимости от характера растительности меняется альбедо земной поверхности, то есть способность отражать солнечную радиацию. Кроме того, характеристики атмосферы и океана зависят от интенсивности .геохимических циклов, характера круговорота веществ в природе. Важнейший из них - углеродный. Он непосредственно влияет на энергетику атмосферы, поскольку увеличение концентрации углекислоты в атмосфере приводит к так называемому тепличному эффекту. Его смысл достаточно прост - углекислота пропускает коротковолновое солнечное излучение, которое нагревает поверхности Земли и океана и задерживает длинноволновое (тепловое) излучение планеты, что приводит к повышению ее средней температуры.

Главную роль в создании тепличного эффекта играют водяные пары и углекислый газ. Роль тепличного эффекта в формировании климата Земли огромна. Если бы в ее атмосфере не было водяного пара и углекислоты, которые задерживают тепловое излучение планеты, то средняя температура атмосферы была бы на 31 - 32 градуса ниже, чем сейчас. Это значит, что даже на экваторе были бы отрицательные температуры, а океаны представляли бы ледяные пустыни. Вот почему модель биосферы необходимо должна включать описание процессов, связанных с переносом энергии, ее излучением и изменением концентрации водяных паров и углекислого газа.

Вот с таких позиций мы и начали работу над моделью биосферы. Несмотря на многочисленные трудности, первая версия такой модели была закончена к концу 70-х годов. Она состояла из двух связанных между собой систем моделей. Первая описывала процессы, происходящие в атмосфере и океане, и позволяла изучать явления климатического характера. Вторая описывала поведение биоты. По существу, это была модель, описывающая круговорот веществ в природе (прежде всего углерода) с учетом жизнедеятельности растений. В нашей модели мы не учитываем (прямо) жизнедеятельности животных, вклад которых в энергетику биосферы относительно невелик (не более 10 процентов энергетики всей биоты).

В чем состояли основные трудности? Они были очень неодинаковые при разработке моделей различных составляющих биосферы. Динамикой атмосферы и океана занимались многие. Существуют первоклассные научные коллективы физиков, математиков, синоптиков, океанологов, которые создавали интересные модели, описывающие отдельные фрагменты динамики атмосферы и океана.

Здесь нам пришлось прежде всего произвести тщательную инвентаризацию уже существующих моделей и теорий, связать их в одно целое и представить эту совокупность моделей и знаний в единой системе. При этом оказалось, что существуют многочисленные «лакуны» - некая зона неизвестности. Мы столкнулись, например, с тем, что для многих процессов «микрофизики», таких, как испарение с поверхности океана или конденсация воды в атмосфере, нет однозначного описания - данные различных авторов весьма существенно отличались друг от друга.

Еще более сложная ситуация сложилась с проблемой поглощения углекислоты океаном - одной из важнейших характеристик биосферных процессов. Мы знаем вполне точно лишь один факт: с увеличением температуры способность морской воды растворять углекислоту падает, и существует такой предел температуры, выше которого океан начинает выделять углекислоту в атмосферу. Однако этот процесс зависит еще от многих факторов и, в частности, от характера морского волнения, предсказать или даже учесть которое практически невозможно.

Кроме того, мы должны были так подбирать и перестраивать модели отдельных процессов, чтобы из них, как из кирпичей, можно было сложить здание, чтобы в результате возникла система моделей, описывающая взаимосвязанные процессы. Именно система, которая должна была отвечать целому ряду, «системных» требований. Так, например, она должна была быть «равнопрочной» - все отдельные составляющие процесса «жизни биосферы» должны быть описаны с одинаковой степенью детализации.

Второе требование, которому должна была удовлетворять наша система моделей, связано с ее использованием. Что это значит?

Создаваемая система должна была, согласно нашему замыслу, представлять собой своеобразную экспериментальную установку многоразового действия. Задавая определенный сценарий человеческой активности, то есть придавая определенные значения некоторым параметрам и функциям, которые представляют ту нагрузку па биосферу, которую создают люди, с помощью расчетов на ЭВМ мы должны определять изменение состояния биосферы. Так вот, эксперименты с моделью не должны приводить к астрономическим затратам машинного времени, сама система должна быть легкодоступной для работы с ней в режиме диалога. Другими словами, модель должна быть весьма грубой, и в то же время она должна быть и достаточно точной. Она должна, например, отличать климат Поволжья от климата Центральной России и процессы роста растений в амазонской сельве от подобных процессов в сибирской тайге. Такие требования оказываются часто противоречивыми, и для того, чтобы их удовлетворить, приходится кардинальным образом перестраивать существующие модели и создавать специальное математическое обеспечение.

При построении биотического блока трудности были иного характера. Здесь прежде всего отсутствовали какие бы то ни было традиции в использовании метода математического моделирования. Математической биологии как научной дисциплины пока, по моему глубокому убеждению, еще не существует. Есть некоторые направления, как, например, генетика или динамика популяций, где математические методы научились хорошо использовать, но единой стройной системы моделей, подобно той, которая создана в физике, в биологии пока еще нет. Поэтому мы сочли возможным ограничиться в первой версии модели описанием одного только углеродного цикла. (Этим термином называется круговорот углерода в природе.)

Его схема известна со школьной скамьи. Под действием солнечной энергии в растениях происходит реакция фотосинтеза - углекислый газ (ОСЬ) расщепляется. Углерод превращается в зеленую массу растений, а кислород возвращается в атмосферу. Растения однажды отмирают, или их съедают животные, которые затем также умирают. Образовавшаяся масса углерода, окисляясь, снова превращается в углекислоту. Но это лишь главная схема углеродного цикла. Одновременно происходит сложное взаимодействие атмосферной углекислоты с океаном. В известных случаях (при малых температурах, например) океан поглощает углекислоту, в других - с его поверхности углекислый газ может и выделяться. Наконец, известная часть углерода оказывается захороненной или выпадает в осадок - одним словом, исключается из круговорота.

Вот подобная цепочка процессов и была положена в основу модели биоты. Но здесь нас подстерегала еще одна трудность - это исходная информация. Особенности фотосинтеза в сибирской тайге, в степной зоне и в лесах Амазонки совсем разные, они зависят от балла облачности, средней температуры и т. д. Точно так же и особенность поглощения углекислоты в океане зависит от широты, температуры... Все эти зависимости, все количественные значения их параметров надо было иметь в своем распоряжении. Предстоял огромный труд по сбору всей необходимой информации - мы использовали не только литературные источники, но и многочисленные советы ученых многих стран, не только соотечественников.

Система моделей раньше, чем начать с ней работать, ставить эксперименты и получать новые сведения о свойствах изучаемого объекта, должна еще быть тестиррванной. Прежде чем предсказывать поведение биосферы, прежде чем предсказывать будущее, для чего и создана наша система, предстояло еще убедиться, что она правильно отражает то, что происходит вокруг нас. Это была еще одна трудность.

Наша система моделей должна, в частности, описывать климат. Значит, она должна отражать какие-то средние характеристики погоды, их изменения от сезона к сезону.

Я не хочу вдаваться в обсуждение трудных и не до конца понятных вопросов о том, что такое климат и как его описывать. Замечу только, что, на наше счастье, в Природе существуют некие явления, которые носят удивительно стабильный характер. Они включают так называемый западный перенос, который находит свое выражение, например, в том факте, что плохая погода в Европе всегда приходит со стороны Америки. В течение всего лета циклоны все время движутся вокруг Антарктиды, отделяя ледовый континент от остального мира, в январе устанавливается знаменитый сибирский антициклон с центром несколько южнее озера Байкал. Можно привести еще множество других примеров, показывающих регулярную повторяемость целого ряда климатических ситуаций. Разумеется, что наша система, имитирующая климатические процессы, должна быть способной воспроизводить эти стабильные климатические ситуации, которые и были приняты в качестве тестов.

Первый этап в создании биосферной модели, завершившийся ее проверкой на тестовых ситуациях, был закончен в течение 1982 года. Наша система была названа системой «Гея» - по имени древнегреческой богини Земли. Такое название более соответствует созданной системе, нежели название «модель биосферы». В самом деле, биосфера включает в себя Человека, но он не был представлен в нашей системе, в ней не было «блока Человека». (Позднее я объясню, почему у нас не было блока, который бы описывал человеческую активность, и как мы обходились без него.)

Нельзя сказать, что разработанная система моделей нас вполне удовлетворяла и достаточно хорошо, с нашей точки зрения, описывала процессы. Так, например, в той версии, которая была закончена в 1982 году, на полюсах по расчетам оказывалось холоднее, чем в реальности. Последнее означало, что меридиональный перенос энергии, который определялся моделью, был меньше реального. Был еще целый ряд дефектов, о которых будет сказано ниже. Тем не менее мы сочли, что модель в своих основных чертах адекватна реальности и может быть использована для «экспериментального» изучения свойств биосферы.

Первый большой эксперимент, выполненный с помощью системы «Гея», был проведен осенью 1982 года.