Экология: биология взаимодействия. 6.02. Демографический взрыв

 

6.01. Экологический кризис современности

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 6. Экология человека и охрана природы

6.03. Демографический переход

 

6.02. Демографический взрыв

Вас не удивило, что главной причиной экологического кризиса современности мы назвали рост численности человечества? Прежде всего, следует рассмотреть, как именно происходил этот рост. Разные источники приводят разные оценки, однако общий характер роста численности человечества не вызывает сомнений.

Когда наш вид возник в Африке, его численность не могла превышать сотен тысяч особей, а в некоторые промежутки времени она, как мы уже говорили, снижалась до нескольких десятков особей. Расселившись по Евразии, популяции нашего вида достили численности в несколько миллионов, прошли кризис неолитической революции и начали неуклонно расти (табл. 6.2.1). Этот рост существенно тормозился только во время эпидемий «черной смерти» в средневековой Европе, где тогда жила значительная часть всего человечества. Как вы можете увидеть, этот рост был ускоряющимся. Именно такое лавинообразное ускорение роста численности человечества дает основание называть его демографическим взрывом.

Таблица 6.2.1. Рост численности человечества (N)












Год

N, млн.

 

Год

N, млн.

 

Год

N, млн.

 

Год

N, млн.

-10000

4

1900

1600

1973

3928

1997

5905

-5000

5

1927

2000

1974

4004

1998

5985

-4000

7

1951

2584

1975

4079

1999

6064

-3000

14

1952

2631

1976

4155

2000

6143

-2000

27

1953

2678

1977

4230

2001

6223

-1000

50

1954

2725

1978

4305

2002

6302

-500

100

1955

2773

1979

4381

2003

6381

-200

150

1956

2822

1980

4458

2004

6461

0

170

1957

2873

1981

4537

2005

6542

200

190

1958

2926

1982

4617

2006

6624

600

200

1959

2980

1983

4700

2007

6706

700

210

1960

3035

1984

4784

2008

6789

800

220

1961

3092

1985

4871

2009

6873

900

240

1962

3150

1986

4961

2010

6957

1000

275

1963

3211

1987

5053

2011

7041

1100

320

1964

3274

1988

5145

2012

7126

1200

350

1965

3340

1989

5237

2013

7211

1400

360

1966

3408

1990

5327

2014

7295

1500

450

1967

3479

1991

5414

2015

7380

1600

500

1968

3552

1992

5499

2016

7464

1700

610

1969

3626

1993

5582

2017

7548

1760

770

1970

3700

1994

5663

2018

7631

1804

1000

1971

3776

1995

5744

2019

7713

1850

1200

1972

3852

1996

5825

2020

7795

 

Интересная возможность охватить одним взглядом численность человечества реализована на интернет-странице проекта Worldometers. Тут можно увидеть количество фигурок, соответствующее численности человечества (можно прокрутить страницу вбок и вниз) и увидеть, как к имеющимся фигуркам прибавляются новые. Каждый из нас — одна фигурка на этом листе.

Динамику, показанную в табл. 6.2.1, несложно визуализировать на графике. Результат показан на рис. 6.2.1.

Рис. 6.2.1. Динамика роста численности человечества

Показанный на рис. 6.2.1 рост отличается от экспоненциального (рис. 6.2.2).! Результаты моделирования роста человечества показывают, что его прирост пропорционален не численности особей, как в экспоненциальной модели, а ее квадрату. Удвоению численности человечества соответствует увеличение скорости его роста в четыре раза! Такой рост называется гиперболическим. Прирост населения согласно гиперболической модели описывается уравнением dN/dt=N2/C, где C — константа (сравните эту формулу с экспоненциальным уравнением!).

Рис. 6.2.2. Линейный (А.), экспоненциальный (Б.) и гиперболический (В.) рост

В парадоксальной форме о гиперболическом росте человечества сообщил один из основоположников кибернетики Хайнц фон Ферстер, который опубликовал (вместе со своими коллегами) в 1960 г. статью под названием «Конец света: пятница 13 ноября 2026 года». По имевшимся в распоряжении фон Ферстера данным, если бы численность человечества продолжала расти теми же темпами, что и ранее, в этот день она достигла бы бесконечности! Естественно, это невозможно. Значит, следует ожидать каких-то принципиальных изменений, которые остановят рост численности человечества. Осталось понять, какими будут эти изменения.

Ханцу фон Ферстеру и его коллегам удалось показать, что изменение численности человечества (в промежутке времени с 1 года нашей эры до 1958 года) удивительно точно описывается неожиданно простой формулой: Nt=C/(t0–t), где Nt — численность человечества в момент времени t, а C и t0 — константы. Величину t0 можно интерпретировать, как момент, когда численность человечества достигает бесконечности. В вычислениях фон Ферстера он оказался равен 2026,87, что соответствует 13 ноября 2026 года. Надо же, этот день оказался не просто тринадцатым числом месяца, а еще и пятницей, да к тому же и днем рождения самого фон Ферстера! Знаменатель дроби, выражение t0–t, означает просто количество лет до «конца света». С подстановкой соответствующих коэффициентов уравнение фон Ферстера имеет вид приблизительно Nt=215 000/(2027–t).

После работы фон Ферстера и соавторов их выводы были многократно перепроверены и подтверждены. Описываемый этим уравнением рост продолжался до 1970-х годов (а потом человечество начало «отставать» (рис. 6.2.3). Быстрее всего человечество росло в 1968 и 1969 годах — на 102,09% ежегодно. Сейчас человечество прирастает на 101,05% за год.

Рис. 6.2.3. Ежегодный прирост численности человечества (в % к численности предыдущего года)

Как показали дальнейшие исследования, гиперболическое уравнение начало с приличной точностью «работать» при описании численности человечества еще за несколько миллионов лет до нашей эры — т.е. еще до появления вида Homo sapiens!Естественно, у нас нет точных данных о численности населения планеты за какой бы то ни было период ее истории. Даже сейчас, в эпоху всеобщих переписей населения, данные о численности Земли весьма приблизительны. А, к примеру, численность населения Земли, когда ее населял Homo erectus, приходится определять по косвенным данным. Однако от уравнения фон Ферстера, как от всякой модели, не следует требовать абсолютной точности. Зато получить оценку, неплохо согласующуюся с имеющимися данными, оно позволяет вполне. Гиперболическая зависимость применима только к численности всего человечества как целого, а не к населению отдельных стран. Это говорит о том, что гиперболическая зависимость приложима к свойствам человечества, как единого целого.

Обратите внимание на колебания кривой роста численности человечества, произошедшие в течение нашей эры (рис. 6.2.1). Как уже сказано, самым сильным воздействием на него была эпидемия «черной смерти» в Европе; более мелкие колебания были связаны с менее масштабными катастрофами: войнами и природными аномалиями. Как реагировало глобальное человечество на эти катастрофы? Чтобы лучше понять результат, полученный при изучении исторических данных, рассмотрим его на условном примере (рис. 6.2.4).

Рис. 6.2.4. Влияние катастроф на гиперболический рост глобального человечества (условный пример, соответствующий действительным данным)

Как уже было сказано, гиперболический рост стал характерным для человечества задолго до исторического времени. Задолго до того, как произошел демографический взрыв, в росте человечества отразилась математическая зависимость, задавшая то время, в которое его следовало ожидать. Рассмотрим, как могла бы повлиять на этот рост катастрофа наподобие «черной смерти» (показана стрелкой на рис. 6.2.4). Эта катастрофа снижает численность человечества до уровня, который был характерен для него какое-то время назад. Если бы рост численности человечества определялся его способностью к размножению, это привело бы к тому, что демографический взрыв произошел бы в более позднее время (такая, гипотетическая, кривая показана на рис. 6.2.4 серым пунктиром). Однако действительное человечество вело себя иначе (серая сплошная линия на рисунке). Его рост ускорялся и в короткое время оно возвращалось на ту же самую траекторию, по которой развивалось до катастрофы. (Уважаемый читатель: если вы не испытали изумления, значит, вы не поняли последнюю мысль; перечитайте этот абзац еще раз, осознайте парадокс, который в нем описывается, и удивитесь!).

Чтобы понять полученный результат, рассмотрим, как реагирует на снижение численности популяция, растущая в соответствии с логистической моделью. Как вы помните (см. рис. 4.15.2), в логистическом росте можно выделить две фазы: r-фазу и K-фазу. На r-фазе на рост популяции большее влияние оказывает способность популяции к размножению, а на K-фазе — количество доступных ресурсов. Можно убедиться, что на  r- и на K-фазе популяция по-разному реагирует на снижение численности в результате воздействия (рис. 6.2.5). 

Рис. 6.2.5. Влияние катастроф на численность популяции, растущей в соответствии с логистической моделью

Снижение численности популяции на r-фазе как будто возвращает популяцию, которая растет в соответствии с логистической моделью, в прошлое (т.е. на этап с меньшей численностью). Ответом на снижение численности оказывается замедление роста (так как рост зависит в первую очередь от количества потенциальных родителей, а их становится меньше). На  K-фазе, наоборот, ответом на снижение численности становится ускорение роста (так как рост зависит в первую очередь от количества свободных ресурсов, а их количество при снижении численности увеличивается). Однако и на  K-фазе снижение численности приводит к некоторому «отставанию» популяции от первоначально ожидавшейся траектории; уровень K будет достингнут с некоторым опозданием. 

Чем отличается реакция показанной на рис. 6.2.5 популяции на воздействие, оказанное на нее на  K-фазе, от реакции глобального человечества, показанного на рис. 6.2.4? Глобальное человечество возвращается на ту самую кривую, по которой развивалось ранее. Как это объяснить? Логистическая модель задает уровень K; испытавшая воздействие популяция возвращается к нему. Гиперболическое уравнение тоже задает верхний предел численности человечества, только этот предел оказывается ускоренно растущим! По всей видимости, способность человечества к размножению все время оставалась избыточной и сдерживалась смертностью. Однако максимальная численность, которую допускает смертность, вызванная недостатком ресурсов, все время росла. При отставании численности человечества от этого растущего предела, оно быстро догоняло этот предел, т.е. возвращалось на первоначальную кривую своей динамики.

Итак, гиперболическая зависимость описывает именно изменение емкости среды! С чем это связано? Дело в том, что человек, как ни один другой вид животных и вообще живых организмов, способен стремительно менять свой образ жизни. Нынешний характер взаимодействия человечества со средой принципиально отличается от того, который был для него характерен несколько веков назад и, тем более, — несколько тысячелетий или несколько миллионов лет назад. Именно это обстоятельство дает надежду на возможность объяснения гиперболического роста. Вероятно (хотя эту проблему еще рано считать окончательно решенной), объяснение описанной особенности роста численности человечества таково. Чем больше людей живет на Земле, тем интенсивнее идет технологический прогресс, тем шире становится экологическая ниша нашего вида и тем больше доступная для него емкость среды, тем быстрее растет численность человечества, тем больше в нем появляется потенциальных изобретателей и тем быстрее идет технологический прогресс…

«Получается система положительных обратных связей, которая и раскручивает маховик гиперболического роста населения в мире: технологический рост — рост потолка несущей способности Земли — демографический рост — больше потенциальных изобретателей — ускорение технологического роста — ускоренный рост несущей способности Земли — еще более быстрый демографический рост — ускоренный рост числа потенциальных изобретателей — еще более быстрый технологический рост — дальнейшее ускорение роста несущей способности Земли и т. д.» (А.В. Марков, А.В. Коротаев, 2011).

Мы знаем, что никакая популяция не способна ускоренно расти в течение неограниченного времени — рано или поздно ее рост сменится или торможением, или катастрофой. Рост человечества также неизбежно должен остановиться.

«...человечество на протяжении практически всей своей истории находилось в так называемой мальтузианской ловушке: весь технологический прирост, а также прирост производства продовольствия сводился на нет ростом населения. Едва повышались урожаи — сразу вырастала рождаемость, и возникал избыток лишних ртов. Испытав непродолжительный период сытости, человеческое сообщество вновь оказывалось на грани голода и нищеты. Такие периодические кризисы были очень свойственны аграрным обществам. <...> Наступил такой период, когда рост населения перестал бежать следом за технологическим ростом и стал от него заметно отставать. Так для человечества наметился выход из мальтузианской ловушки, хотя на сегодняшний день о полном ее преодолении можно говорить лишь в применении к наиболее развитым странам». (А.В. Марков, А.В. Коротаев, 2011).

На Земле растет не только численность населения, но и уровень жизни и промышленности. Более поздние исследования показали, что если бы фон Ферстер и его коллеги имели бы данные о росте мирового валового внутреннего продукта (ВВП) за период с 1 года нашей эры до 1973 года, они смогли бы вычислить также и срок наступления экономического «конца света». Как ни сложно сравнить изготовление сушеных фиников в Древнем Риме и выпуск самолетов в современном мире, какая-то сравнительная оценка объемов этих производств возможна. ВВП растет еще быстрее, чем численность населения — в квадратично-гиперболической зависимости. В соответствии с квадратично-гиперболической моделью, ВВП человечества должен был бы стать бесконечно большим в субботу, 23 июля 2005 года. Вы ничего не заметили в этот день? Это означает, что те зависимости, которые определяли рост мировой экономики на протяжении всей ее истории, перестали действовать. Это произошло во время жизни значительной части сегодняшнего населения Земли. Обратите внимание: «перелом» коснулся и экономики, и роста численности населения, которые сейчас изменяются с нарастающим отставанием от описанных нами моделей.

Кстати говоря, в соответствии со значением терминов «кризис», «катастрофа» и «коллапс», о которых мы говорили в начале главы, кризис УЖЕ перешел в катастрофу — изменение характера системы. Теперь стоящая перед нами задача — не допустить перехода катастрофы в коллапс.

Итак, перелом роста численности человечества произошел в 70-х годах XX века. Именно тогда человечество отстало от темпов роста, «предписываемых» уравнением гиперболического роста, войдя в демографический переход (см. пункт 6.3). Ориентировочно можно сказать, что до 70-х гг. население возрастало на 2% в год, сейчас — чуть более, чем на 1% (пик преодолен). До того, как рост человечества начал замедляться, производство пищи росло на 2,3% в год, а сейчас оно составляет менее 2%. Но биосфере приходится платить за этот рост очень серьезную цену. При нынешней технологии двухпроцентный рост производства пищи обеспечивается ростом потребления энергии на 5%, водопотребления — на 7%, производства удобрений — на 7%, ядохимикатов — на 10%. Вероятно, в XXI веке численность населения увеличится менее чем вдвое, а потребление ресурсов и энергии возрастет в 5–6 раз. Впрочем, главная проблема нынешнего человечества состоит даже не в этом. Оно живет благодаря использованию энергии ископаемого топлива, которое неминуемо закончится. Что будет после того, как ископаемое топливо закончится, а увеличивать нагрузку на экосистемы станет невозможным?

Одна из версий ответа на этот вопрос предусматривает, что человечество «что-нибудь придумает», как придумывало до сих пор. К сожалению, до сих пор нет надежды на то, что человечество сможет поддерживать необходимые качества среды благодаря своим технологиям. Самый масштабный эксперимент такого рода был проведен в конце XX века в Аризоне. Там была создана «Биосфера-2» («Биосферой-1» устроители эксперимента посчитали земную биосферу). На площади 1,3 га разместился изолированный купол с разнообразными элементами экосистем, которые должны были поддерживать жизнь 8 людей-добровольцев. В 1991 году оболочка «Биосферы-2» была замкнута. Через 15 месяцев герметичность оболочки пришлось нарушить, а добровольцев — спасать, так как интенсивность фотосинтеза и количество кислорода в искусственной биосфере упали ниже критического уровня. Из 25 видов позвоночных, помещенных под купол, 18 вымерло; вымерли все насекомые-опылители; нарушилась «естественная» очистка воды и воздуха. Основным итогом эксперимента стало признание того, что нам неизвестны многие детали механизма, обеспечивающего стабильное существование экосистем. Вместо расширения емкости среды, характерного для «Биосферы-1», в «Биосфере-2» емкость среды катастрофически упала.

 

6.01. Экологический кризис современности

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 6. Экология человека и охрана природы

6.03. Демографический переход