ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ФОРМИРОВАНИЯ

НОВОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

(собрание статей)

Е.Н. Елин
1. КОНЦЕПЦИЯ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЗОТХОДНОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭКОНОМИКИ

Перед нашей страной, как, впрочем, и перед большинством стран современного мира, стоит первостепенная жизненно важная проблема: организация новой безотходной экономики.

Вполне правомерно утверждение о том, что только при решении этой проблемы возможно дальнейшее перспективное социально-экономическое развитие нашего общества.

Собственно, процесс формирования безотходной отечественной экономики и есть процесс развития России по пути ее перехода в новое качественное состояние в XXI веке.

Только наличие в стране современной, универсальной, многоотраслевой, безотходной индустрии обусловит ее дальнейшее благополучное существование как одной из ведущих стран мира.

Постепенный перевод отечественной экономики на безотходное производство обусловлен естественными объективными причинами.

Главная причина внешнего характера предопределена необходимостью поддержания социально-экономического состояния страны на уровне, обеспечивающем присутствие России в числе развитых стран мира.

Именно безотходность экономики является одним из объективных критериев, определяющих уровень развития страны и ее место в мире в наступившем столетии.

Существуют также внутренние объективные предпосылки, обусловливающие реальные возможности создания отечественного безотходного производства.

Наличие в стране многоотраслевой экономики, не имеющей отраслевых предприятий по переработке отходов, приводит к их постоянному образованию и накоплению.

Разнообразие отходов, их химический состав и объемы накопления таковы, что они уже давно стали фактором постоянного многопланового негативного воздействия на людей и природу.

Многолетние результаты такого воздействия на социум людей и биосферу планеты общеизвестны. Об этом вот уже несколько десятилетий постоянно пишут в специальной научной и популярной литературе.

Независимо от частного содержания любой научной и популярной работы, в которой излагаются те или иные вопросы экологии, их общим содержанием является проблема отношений современного человечества и природы во всем комплексе их сложности, противоречивости задач, интересов, целей и практически постоянной антагонистичностью их сосуществования на планете.

Вторая общая тема всех работ экологического направления посвящена изложению вопросов, решение которых позволяет найти выход из создавшегося критического положения.

К наиболее практически значимым работам, направленным на конкретное решение вопросов коренного изменения характера и принципов отношений в системе: человечество – природа, обеспечивающим реальный, эффективный выход из создавшейся тупиковой ситуации в их отношениях – является целенаправленная, научно-практическая работа по разработке безотходных технологий во всех сферах производства и организация на их основе отраслевых безотходных предприятий по переработке отходов, образующихся в основном производстве для получения разнообразной продукции в объемах, имеющих практическое значение, как фактора постоянного обеспечения эффективной (по продукционным, экономическим и экологическим показателям) экономики страны как единой, гармоничной, высокопроизводительной системы деятельности современного общества.
2. О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОДУКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Во второй половине XX века в области прикладной экологии большое развитие получили работы по исследованию закономерностей поступления и движения веществ и энергии в экосистемам, их преобразованию в биомассу различных видов растительных и животных организмов, составляющих биоценозы экосистем.

Большое внимание в этих исследованиях уделяется проблеме эффективности продукционного процесса экосистем в зависимости от складывающихся внутренних и внешних условий их функционирования в разные периоды развития.

К основным закономерностям, объясняющим процессы движения, преобразования и утилизации веществ и энергии в экосистемах, имеющим прикладное значение, относятся: второй закон термодинамики, закон 10% Линдемана, закон минимума Либиха, закон обеднения разнородного живого вещества в его сгущениях Хильми, закон толерантности Шелфорда, закон биогенной миграции атомов Вернадского, закон внутреннего динамического равновесия экосистем, закон снижения энергетической эффективности природопользования, закон убывающего плодородия почвы.

Применение этих законов при изучении работы экосистем позволяет оценить их по таким важным показателям, как вещественно-энергетическая основа жизнедеятельности, условия существования и развития, организация, надежность и продукционные возможности.

По существу рассматриваемого вопроса необходимо провести краткий предварительный анализ закономерностей, характеризующих вещественно-энергетическую основу жизнедеятельности, особенности продукционного процесса экосистем и их продукционные возможности.

В связи с этим представляют интерес следующие закономерности: закон биогенной миграции атомов Вернадского (1,2), второй закон термодинамики (3), а также законы, определяющие продукционные возможности экосистем, к которым можно отнести закон 10% Линдемана (4,5), закон снижения энергетической эффективности природопользования (6) и закон убывающего плодородия почвы (7).

На основании вышеизложенного перейдем теперь к краткому анализу этих законов, как имеющих непосредственное отношение к существу излагаемого вопроса.

В соответствии с законом Вернадского процесс движения веществ и энергии в экосистемах осуществляется в основном благодаря деятельности живого вещества. Это значит, что основная роль в процессе миграции веществ и химических элементов на земле принадлежит ныне, как и принадлежала в прошлые геологические эпохи существования планеты, живому существу экосистем, их биоценозам.

Но если закон Вернадского отвечает на вопрос, что является причиной движения и вещественно-энергетического обмена в биосфере, то второй закон термодинамики определяет, в каком направлении в экосистемах Земли происходит это движение. Кроме того, согласно требованиям второго закона термодинамики, для осуществления движения веществ и энергии, экосистемы должны быть обеспечены некоторым исходным вещественно-энергетическим запасом, гарантирующим возможность работы всех ее компонентов. Причем этот исходный запас вещества и энергии должен быть больше, чем количество вещества и энергии на любом трофическом уровне экосистемы. Только в этом случае может быть осуществлено направленное движение веществ по трофическим цепям, переход от уровня к уровню и преобразование в различные виды растительной и животной биомассы.

Но поскольку процесс движения и вещественно-энергетического обмена в экосистемах осуществляется в соответствии с изложенными закономерностями, практический интерес представляет вопрос о возможностях количественного преобразования веществ и энергии в процессе движения в экосистемах. На этот вопрос отвечает закон 10% Линдемана.

Закон утверждает, что движение веществ и энергии в экосистемах осуществляется путем их последовательного перехода с низких трофических уровней на высшие в процессе реализации пищевых отношений, сложившихся в конкурентной экосистеме. Биомасса живого вещества предшествующего трофического уровня преобразуется в биомассу живого вещества последующего трофического уровня в количестве, составляющем в среднем 10% биомассы предшествующего уровня.

Содержание закона 10% в приложении к практической деятельности людей позволяет сделать вполне достоверное предположение о том, что при организации производства продукции животноводства возможный выход в виде животной биомассы будет также в среднем составлять 10% от исходных пищевых ресурсов, использованных на ее производство.

Продукция как общий показатель эффективности экосистем

С позиций практики критерий оценки продукционной эффективности экосистем должен конкретно определять вещественный результат их работы. В связи с этим критерий оценки работы экосистем должен удовлетворять некоторым конкретным требованиям.

В частности, такой критерий должен обеспечивать возможность определения вещественного результата жизнедеятельности экосистем. Кроме того, он должен обеспечивать возможность регулирования и количественного изменения результатов продукционного процесса экосистем в целях его оптимизации.

Критерием, удовлетворяющим этим требованиям, является продукция, полученная в результате развития продукционного процесса в экосистемах на всех трофических уровнях за счет первоначального обеспечения определенным вещественно- энергетическим потенциалом, преобразующимся в конкретные виды биологической продукции в результате его последовательного преобразования на трофических уровнях экосистем.

Продукция в экосистеме как в системе, непрерывно использующей и преобразующей различные вещества и энергию в новые виды вещества и новые количества энергии на всех своих трофических уровнях, имеет двойственное значение:

- с одной стороны, сформировавшаяся на данном трофическом уровне продукция является конечным результатом движения и преобразования веществ и энергии, поступивших в экосистему извне и с предшествующих трофических уровней;

- с другой - эта продукция есть ни что иное, как сырье, исходный источник энергии для обеспечения дальнейшей работы экосистемы как безотходного производства с круговым циклом движения веществ и энергии для преобразования их в разнообразную продукцию и ресурсы воспроизводства живого вещества.

И то, и другое свойство продукции поддается простым и надежным средствам измерения и возможности ее количественного регулирования и изменения. Эти свойства обуславливают возможность повышения интенсивности продукционного процесса в экосистемах в ходе преобразования их вещественно-энергетических ресурсов в продукцию и управление ее продукционным процессом.

Правило продукционной эффективности

Естественно, что продукционная эффективность экосистем определяется количеством произведенной в них продукции биомассы живого вещества за определенный период времени.

Поэтому более эффективными можно считать те экосистемы, в которых в одно и то же время формируется большое количество растительной и животной биомассы.

Количество произведенной продукции зависит в основном от двух условий: от исходного вещественно-энергетического потенциала экосистем и от скорости его преобразования в продукцию.

Иными словами, эффективность продукционного процесса экосистем находится в прямой зависимости от их исходного вещественно-энергетического потенциала и в обратной зависимости от времени его использования в первоначальной или преобразованной форме на трофических уровнях экосистем для производства продукции биомассы.

Эту закономерность можно выразить формулой:

Пэ=Е/I, где:

Пэ – продукционная эффективность экосистемы, скорость преобразования части вещественно-энергетических ресурсов экосистемы в продукцию;

Е – вещественно-энергетический потенциал;

I – время использования потенциала для преобразования в продукцию экосистемы.

Определение продукционной эффективности экосистемы вызвано необходимостью подытоживания результатов работ по изучению вопроса движения и преобразования веществ и энергии в экосистемах с целью прогнозирования их продукционных возможностей установления закономерности, которую можно было бы использовать в качестве средства управления процессом формирования продукции в антропогенных экосистемах и биотехнологиях. Постановка вопроса о закономерностях, обуславливающих развитие продукционного процесса в экосистемах в такой простой обобщенной форме позволяет использовать ее как средство управления производственным процессом в различных биотехнологиях.

Сформулированная закономерная зависимость продукционной эффективности экосистем от исходных объемов их вещественно-энергетических ресурсов, используемых для воспроизводства и роста биомассы живого вещества, времени их преобразования в продукцию ориентирует на необходимость предварительного определения ожидаемой продукционной эффективности новых антропогенных агроэкосистем или биотехнологий, предполагаемых к разработке, по сравнению с используемыми в практике.

Она предполагает возможность планирования и организации производства продукции экосистем по двум основным показателям: исходным сырьевым ресурсам, объемы которых необходимо определить для определения планирования мощности и эффективности предполагаемого производства и времени, необходимым для производства продукции.

В связи с изложенным, важным следствием рассматриваемой закономерности является вывод, имеющий практическое значение: разработка биотехнологии или антропогенной экосистемы целесообразна лишь постольку, поскольку она дает энергетический выигрыш при производстве продукции по сравнению с технологиями, используемыми в настоящее время.

Рассматривая закономерность позволяет достоверно оценить предполагаемый энергетический эффект или, напротив, определить невыгодность разработки той или иной технологии по таким важным показателям как объемы исходного сырья и фактическое количества сырья, необходимого для производства расчетного количества продукции.

Таким образом, оценка исходных сырьевых ресурсов и количества энергозатрат на производство продукции, выраженных во времени, складываются в единую энергетическую оценку, позволяющую определить целесообразность разработки конкретной технологии, или экосистемы.

Такая предварительная оценка предполагаемой к разработке технологии позволяет прогнозировать ее перспективность или, напротив, неперспективность.

Для более точной оценки продукционной эффективности рассматриваемую закономерность целесообразно связать с законом 10%. Известно, что продукционная эффективность естественных экосистем колеблется в среднем в пределах 10%, то есть на последующем трофическом уровне формируется в качестве его новой биомассы только около 10% биомассы уровня предыдущего (5).

Примерно такого же эффекта можно ожидать в случае разработки антропогенных экосистем, в которых участвуют естественные объекты природы. Это предположение подтверждается фактами. Так, например, в биотехнологии по культивированию личинок комнатных мух на нативном свином навозе, разработанной под руководством доктора биологических наук Ю.А. Колтыпина, выход биомассы личинок от исходной массы питательного субстракта составляет 8 – 12%. Результаты, примерно такого же порядка, могут быть получены и при разработке других антропогенных биотехнологий по культивированию безпозвоночных (8).

Закон 10% в сочетании с правилом продукционной эффективности можно использовать в качестве критерия для прогнозирования перспективности разработки какой-либо биотехнологии по производству биомассы.

Если в формуле Пэ=Еи/1, Пэ заменить на показатель 10, имея в виду, что это 10% биомассы, которая может быть получена в производственном биотехнологическом процессе, и пересчитать на массу продукции, которую можно получить в расчетный период времени, то отвлеченное понятие Еи – (исходное количество вещественно-энергетических ресурсов) – получает вполне конкретный смысл.

Для получения 10% какой-либо биомассы необходим в среднем десятикратный запас исходного сырья. В приложении к конкретным условиям производства это означает, что для получения тонны биомассы необходимо около 10 тонн исходного сырья. Поскольку продукционная эффективность экосистемы, то есть, выход производимой биомассы имеет обратную зависимость от времени, то, очевидно, что технология будет тем эффективнее, чем меньше времени будет затрачено на производство биомассы. Но, рассматривая время производства биомассы, надо иметь в виду, что оно не на всех стадиях биотехнологического процесса поддается такому простому учету и управлению как исходное сырье. Это обусловлено тем, что в общее время производственного процесса входит время роста и развития животных, составляющих продуцируемую биомассу.

На основе вышеизложенного правомерно сделать вывод о том, что эффективной можно считать такую биотехнологию, в которой энергозатраты по обеспечению ее продукционного процесса позволяют получить продукцию в объеме, не меньшем, чем в природных экосистемах за расчетный период времени.

Иными словами, биотехнологический процесс по производству биомассы животных должен быть таким, чтобы его использование в практике обеспечивало преобразование исходного сырья энергии в продукцию, которая по своему объему составляла в среднем не менее 10% от исходных вещественно-энергетических ресурсов, при минимально возможных затратах времени. В связи с такой постановкой вопроса об эффективности биотехнологий важно обратить внимание на проблему интенсификации производственного процесса. Ведь интенсификация производства в общем виде есть ускорение производственного процесса ради того, чтобы за одно и тоже или меньшее время выпустить больше продукции. Но это достигается путем применения новых усовершенствований, а в конечном счете путем применения дополнительных затрат времени и энергии на эти усовершенствования.

Закон 10% и правило продукционной эффективности говорят о том, что интенсификация производственного процесса не абсолютное требование производства в приложении к конкретным технологиям, и ограничивают пределы роста интенсификации.

Используя эти закономерности для разработки биотехнологий, надо иметь в виду, что их интенсификация, то есть увеличение вещественно-энергетических затрат (Еи) и времени (г) экономически целесообразно лишь постольку, поскольку они дают возможность получить продукцию в количестве около 10% от исходных ресурсов при тех же или меньших затратах времени. В случае же несоответствия этому требованию, данная технология становится не экономичной и поэтому в отдельных случаях может быть принята к разработке и реализации только как необходимое исключение из правил.

Характерным примером нарушения изложенных закономерностей является попытка организации производства биомассы кормовых дрожжей из навозных стоков, предпринятая в Дубассарской биологической лаборатории.

Разрабатывая эту технологию (9), авторы не учли закон 10% и правило продукционной эффективности. При весьма значительном использовании исходных ресурсов выход готовой продукции дрожжей не превышал 1-2% от исходной массы сырья. Причем, применяемая технология была сложной, многостадийной и требовала значительного времени. В итоге ее применение оказалось нерентабельным и неперспективным.

Опыты, приводившиеся на Телепештской откормочной базе, по выращиванию кормовых дрожжей на углеводной фракции навозных стоков также показали бесперспективность подобных попыток, поскольку из 100% сырья исходных стоков выход биомассы дрожжей не достигал даже 1% (9).

В рассматриваемом примере этих издержек можно было бы избежать, руководствуясь законом 10% и правилом продукционной эффективности.

3. ПРИНЦИП ПОДОБИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЕСТЕСТВЕННЫМ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ

При рассмотрении с экологических позиций организационной структуры сельскохозяйственных предприятий и специфики производственной деятельности можно установить их органическое сходство с экологическими системами природы.

Это сходство отчетливо проявляется в однородности вещественно-энергетического потенциала и тождестве основных функций в продукционных процессах естественных экологических систем и в процессах производства продукции сельскохозяйственных предприятий.

Экологические системы природы и сельскохозяйственные предприятия имеют одинаковую форму организации, основанную на принципе сочетания взаимозависимости и взаимодействия составляющих их абиотических и биотических подсистем, являющихся фундаментом для обеспечения развития любого продукционного или производственного процесса.

Биотические подсистемы экосистем природы представлены биоценозами растительных и животных сообществ флоры и фауны; биотические подсистемы сельскохозяйственных экосистем представлены агрозообиоценозами конкретных сельскохозяйственных предприятий.

Абиотические подсистемы в природе и сельском хозяйстве тождественны и представлены твердыми, жидкими и газообразными объектами окружающей среды, в составе наземных, водных и воздушных экосистем. Главной, конечной целью продукционного процесса в естественных экосистемах и производственного процесса в сельском хозяйстве является воспроизводство растительной и животной биомассы живого вещества.

Этим обусловлено сходство организации и основных закономерностей вещественно-энергетического обмена в продукционных процессах экологических систем природы и в производственных процессах сельскохозяйственных предприятий.

Тождественность конечных целей: получение новой биомассы живого вещества в природных и антропогенных экосистемах обуславливает общность основных условий их существования, функций жизнедеятельности и процессов воспроизводства продукции.

Основным условием существования и жизнедеятельности экосистем природы, равно как и производственной деятельности предприятий сельского хозяйства, является открытость этих систем, обеспечивающая свободный вещественно-энергетический обмен с внешней средой, эффективность которого является основным фактором успешного развития продукционных и производственных процессов.

И природным экологическим системам и хозяйствам присущи такие характерные для них функциональные свойства как стремление к достижению стабильности продукционных и производственных процессов, оптимальных условий существования популяций биологических объектов в экосистемах природы и выращиваемых сортов сельскохозяйственных культур и пород животных, разводимых в сельском хозяйстве; стремление к достижению максимального количества воспроизводимой биомассы.

Основной отличительной особенностью экологических систем природы, позволяющей утверждать их неоспоримое преимущество перед производительными агроэкосистемами, созданными человеком, являются их значительно большие продукционные возможности и конечные результаты производства продукции растительной и животной биомассы. Более высокая эффективность продукционных процессов экосистем природы обусловлена способностью к саморегуляции жизненно важных процессов, выражающаяся в формировании постоянно надежных вещественно-энергетических связей обеспечения жизнедеятельности биотических подсистем, авторегуляции пространственных размеров и продукционных возможностей экосистем до оптимальных.

Продукционное превосходство естественных экологических систем интегрировано выражено меньшими временными периодами на формирование продукции растительной и животной биомассы по сравнению с периодами времени, необходимыми для получения продукции на предприятиях сельского хозяйства. В природных экосистемах полностью отсутствуют этапы производства средств производства, производства ресурсов производства и организации инфраструктуры. Продукционный процесс развивается по возможно кратчайшей схеме: энерговещественные ресурсы – продукция. В то время как современное промышленное сельское хозяйство невозможно без предварительных сложных и дорогостоящих производственных этапов, являющихся неотъемлемой частью сложного энерго- и ресурсоемкого многоэтапного процесса промышленного сельскохозяйственного производства, реализуемого по более значительно сложной временной схеме: разработка исходных ресурсов природы  производство средств производства (удобрений, ядохимикатов, оборудования, систем машин и механизмов)  производство объектов и организация инфраструктуры сельскохозяйственных предприятий  основной производственный процесс, также включающий ряд агротехнических и зоотехнических звеньев. Схема показывает, насколько более сложен и менее эффективен процесс производства сельскохозяйственной продукции по сравнению с продукционным процессом формирования растительной и животной биомассы в естественных экологических системах.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о большем совершенстве организации экосистем природы, вещественно-энергетическом совершенстве их продукционных процессов и общей продукционной эффективности по сравнению с аналогичными показателями агроэкологических систем.

Тем не менее, правомерен и другой вывод, имеющий важное практическое значение: в связи с изложенным можно констатировать безусловное сходство организации и основных процессов формирования продукции в экологических системах природы и сельскохозяйственных предприятиях.

Таким образом, вполне правомерна постановка вопроса о принципиальном подобии сельскохозяйственных предприятий естественным экосистемам.

Принцип подобия его в приложении к сельскому хозяйству может быть изложен в такой формулировке: сельскохозяйственные предприятия как антропогенные агроэкологические системы тем более эффективны в продукционном, экологическом и экономическом отношениях по результатам своей производственной деятельности, чем более их организация и механизм производственного процесса подобны организации и продукционным процессам экологических систем природы.

Принцип подобия может быть эффективно использован в качестве теоретической основы для совершенствования сельского хозяйства XXI века. Этот принцип ориентирует на создание хозяйств нового типа на основе использования в их организационной структуре и механизме производственного процесса элементов организации и особенностей продукционного процесса естественных экологических систем.

Организация таких хозяйств позволит значительно уменьшить приток извне вещественно-энергетических ресурсов и материально-технических средств, необходимых для обеспечения производственного процесса. Это, в свою очередь, повысит продукционную, экономическую и экологическую эффективность их производства, поскольку значительное количество ресурсов для производства будут воспроизводить сами хозяйства.

В связи с изложенным можно предположить, что создание хозяйств нового типа на основе применения в их организации принципа подобия естественным экологическим системам может быть делом недалекого будущего.

Действие принципа подобия распространяется не только на сельскохозяйственную сферу деятельности. Этот принцип проявляет себя в любом направлении человеческой деятельности, в которую вовлечены биотические, абиотические объекты и экосистемы природы. В приложении к таким видам деятельности принцип подобия имеет следующую формулировку: любые антропогенные экологические системы, в организации и работе которых участвуют объекты природы, тем более эффективны по результатам деятельности (в своем функциональном назначении) экологически совместимы с жизнедеятельностью биосферы земли и совершенны по формам своей организации, чем более по данным критериям они подобны аналогичным системам природы.

В такой интерпретации принцип подобия может быть использован в качестве теоретической посылки при разработке технологий, связанных с совершенствованием ниосферы и становлением гармонических отношений природы и человечества.

Список литературы:

1. 
   В.И.Вернадский. Живое вещество. М.: Наука,1978. С. 68-100.
   
2. 
   В.И.Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и ее окружение. М.: Наука, 1965. С.270, 328-329.
   
3. 
   Ю.Одум. Основы экологии. М.: Мир, 1975. С. 52-56.
   
4. 
   Ф.Рамад. Основы прикладной экологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. С. 95.
   
5. 
   (Р.Линдеман. Трофико-динамическое направление в экологии//Успехи современной биологии.16,1,1943).
   
6. 
   Н.Ф.Реймерс. Азбука природы. М.: Знание, 1980. С. 84.
   
7. 
   Н.Ф.Реймерс. Азбука природы. М.: Знание, 1980. С. 63.
   
8. 
   Ю.А.Колтыпин, Г.В.Ерофеева. Утилизация навоза при помощи личинок синантропных мух. М.: ВАСХНИЛ, ВНИИТЭИСХ, 1977. С. 26-28.
   
9. 
   Л.К.Эрнст и др. Переработка и использование в корм отходов животноводства. М.: ВАСХНИЛ, ВНИИТЭИСХ, 1974. С. 28-29.