Вестник РАН, 2020, T. 90, № 6, стр. 560-566

Главное антагонистическое противоречие между биологической сущностью человека и абиологичными способами получения им энергии Солнца для создания пищевой базы и среды своего обитания – определяющий фактор, формирующий образ нашей технократической цивилизации. Её развитие на основе идей безграничного роста и удовлетворения потребностей индивидуума привело к тому, что в экосистеме “планета Земля” возникла новая форма развития биосферы – антропогенный кризис. Такие кризисы проявлялись на всех этапах развития человеческого общества, они носили разный характер, но имели одну причину: несоответствие уровня и структуры потребления человека ресурсным возможностям естественной биоты нашей планеты [1]. Выходы из этих кризисов всегда были связаны со сменой технологических укладов [2].

В области горных наук фундаментальное значение имеет понятие комплексного освоения недр. Данное понятие относится к элементам вариативной части учения о литосфере и опирается на знания базовой части наук о Земле. Здесь тесно увязаны все основные направления исследований в области техногенного изменения литосферы в процессе получения сырьевых и энергетических ресурсов, которые обеспечивают существование и развитие антропосферы. Поэтому вполне естественно, что этапность этого развития во времени предопределила смысловую динамику внутреннего содержания понятия комплексного освоения недр.

Как фундаментальная научная проблема и актуальное направление исследований это понятие было впервые сформулировано академиком А.Е. Ферсманом [3]. Чуть позже, академиками Н.В. Мельниковым и А.В. Сидоренко смысл комплексного освоения минеральных ресурсов литосферы был раскрыт и обоснован с позиций государственной значимости. Цель такого освоения была определена как укрепление минерально-сырьевой базы страны, что, в свою очередь, предполагало производство широкой номенклатуры товарной продукции на основе повышения полноты и экономической эффективности извлечения полезных ископаемых в процессе их добычи и переработки [3, 4].

Второй этап трансформации понятия комплексного освоения недр связан с трудами академика М.И. Агошкова, который систематизировал представления о ресурсном потенциале литосферы и предложил рассматривать проблему с двух позиций: с одной стороны, полного использования осваиваемых георесурсов (не только полезных ископаемых), с другой – сочетания существенно различных способов их добычи. Имелось в виду, что на этой основе может быть достигнут оптимальный народно-хозяйственный и социальный эффект от промышленного освоения минеральных ресурсов [3, 5].

На третьем этапе исследования академика К.Н. Трубецкого позволили включить в состав комплексного освоения недр ещё и процессы создания новых ресурсов, в том числе путём перевода потенциальных ресурсов (то есть не полностью выявленных и оценённых) в реальные. Это потребовало целенаправленного изменения условий доступа к минеральным образованиям, их качества, а также параметров, сроков формирования и состояния выработанного пространства [3, 6].

Указанная трансформация содержания понятия комплексного освоения недр полностью отражает основные особенности современной парадигмы формирования минерально-сырьевой составляющей техносферы, которая характеризуется:

• экстенсивной формой развития минерально-сырьевого комплекса в целом, когда темпы увеличения объёма извлекаемого из литосферы вещества более чем на порядок опережают темпы прироста населения планеты;

• решением проблем защиты и восстановления естественной биоты Земли по остаточному принципу – после получения конечного продукта, что заметно ускоряет развитие глобального экологического кризиса.

Вполне очевидно, что ускоренное потребление минеральных ресурсов, то есть накопленных в ходе эволюции планеты запасов вещества и энергии, связано с целым рядом трудноразрешимых противоречий. При ярко выраженной антагонистической форме конфликта между природой и человеком совместное их существование возможно только при условии реализации принципа равных возможностей для развития техно- и биосферы. Этот принцип определён академиком Н.Н. Моисеевым как “стратегия коэволюции” антагонистических по своему внутреннему содержанию систем [7]. В рамках этой стратегии невозможно полностью преодолеть обозначенное выше глобальное противоречие, но придать ему неразрушительную для живой природы форму вполне возможно, более того – совершенно необходимо.

Именно необходимость создания новых, более широких возможностей развития минерально-сырьевого комплекса предопределяет внутреннее содержание современного (четвёртого) этапа трансформации понятия комплексного освоения недр за счёт включения в него экологического ресурса литосферы, сохранения её экологической функции.

Ускорение технического прогресса в сочетании с глобализацией усиливает взаимозависимость общества и технологий. В настоящее время используемые при освоении минеральных ресурсов литосферы технологии построены в соответствии с узкоспециальными знаниями и выбираются только по технико-экономическим признакам. На основе такого подхода удаётся решать отдельные экологические задачи исключительно путём выполнения дополнительных природоохранных операций, но он не позволяет урегулировать комплекс проблем, связанных с сохранением биологического разнообразия и особенностями строения защищаемых природных объектов. Поэтому в методологическом плане требования по экологической безопасности должны предъявляться не к отдельным операциям или процессам – их следует заложить в перспективную общетехнологическую парадигму таким образом, чтобы сохранение естественной биоты Земли стало неотъемлемым свойством создаваемых и применяемых технологий.

В самом общем виде идея построения таких технологий была высказана ещё академиком В.И. Вернадским. Именно он сформулировал ноосферную задачу по встраиванию технологических процессов в циклы естественного оборота вещества в биосфере и их неразрушающему взаимодействию [8]. Вполне очевидно, что решение этой общей задачи возможно только путём создания и применения технологий с новыми свойствами. В методологическом плане технологические ответы на экологические вызовы следует искать в изучении систем, где эти ответы уже получены, то есть в биологических системах.

Развитие техносферы как основы современной цивилизации определяется простой функциональной триадой знание–умение–результат (или наука–технология–продукт). Качественная характеристика элементов этой триады становится понятной при её рассмотрении в обратном порядке: необходимые для нас свойства продукта предопределяют внутреннее содержание технологии, а оно в свою очередь указывает на то, какую именно часть общего знания мы должны использовать при создании данной технологии. Поэтому часто применяемое сегодня словосочетание “природоподобные технологии” надо трактовать не как создание каких-то необычных технологий, а как определение вектора приложения поисковых усилий и как указание на то, что новые пути целенаправленного преобразования технологий мы намерены найти на основе знаний о живой природе.

Известно, что в самом общем виде технология представляет собой практическое применение знания для создания методов производственной деятельности. Тогда природоподобными следует считать технологии, создание и развитие которых происходит на основе знаний о живой природе. Исходя из внутреннего содержания технологий можно выделить два подхода к их поиску: разработка природоподобных решений для технологий, имеющих аналоги в живой природе и не имеющих таких аналогов.

В первом случае инновационное развитие определённой группы технологий основано на дублировании уже существующих в живой природе процессов. Это направление имеет достаточно длинную историю, которая, видимо, начинается с бионики. Здесь имеются и серьёзные результаты, и огромные перспективы, которые будут постоянно расширяться по мере углубления наших знаний о материальном мире. Такие технологии можно назвать природовоспроизводящими, построенными на основе дублирования процессов, обеспечивающих существование организмов в составе биоты природных экосистем.

Признавая очевидную широту возможностей развития и реализации этого подхода, следует указать и на столь же очевидную их ограниченность. Как было показано в работах [1, 9], человек, обретая в ходе эволюции разум, продолжил своё дальнейшее развитие вне естественного баланса солнечной энергии. Поэтому фундаментом созданной на этом пути технократической цивилизации стали процессы и технологии, у которых нет и не может быть прямых аналогов в биологических системах. Действительно, в живой природе нет аналогов добыче полезных ископаемых, пирометаллургии, обработке металлов или колёсному транспорту и т.п. В эту группу попадают практически все технологии, благодаря которым создаётся искусственная среда обитания человека на территориях, которые ранее занимала естественная биота Земли. Поэтому здесь целью поиска становится не какая-то отдельная технология, а форма экологически уравновешенного (коэволюционного) взаимодействия антагонистических компонентов в ходе развития единой природно-технической системы. Так как эволюция любой системы – процесс имманентный, непосредственно ей присущий, то очевидно, что в природно-технической системе источником преобразования технической составляющей может быть только природная составляющая, а развитие системы в целом предстаёт как воспроизводство найденных природой эффективных функциональных структур при использовании уже имеющихся технологий. Отсюда следует, что необходимые качества производственных систем должны обеспечиваться за счёт сближения (конвергенции) их функциональной структуры с функциональной структурой биологических систем, которые уже обладают искомыми качествами. В такой постановке вопроса можно определить второй тип природоподобных технологий – конвергентные, в рамках которых антропогенные процессы взаимодействуют в биоподобной функциональной структуре.

Идея о принципиальной возможности создания конвергентных технологий для разработки месторождений полезных ископаемых была впервые выдвинута в ИПКОНе РАН в ходе проведения цикла поисковых исследований в области перспективного развития технологической базы комплексного освоения недр [10]. Изучение вопроса о несоответствии масштабов времени в процессах возобновления и потребления природных ресурсов (а это одна из основных причин опережающего роста экологических последствий развития минерально-сырьевого комплекса) привело к гипотезе о том, что уровень экологической безопасности техногенных геосистем по отношению к системам биологическим пропорционален степени единообразия принципов функционирования обеих систем [10]. Детальная разработка этой гипотезы показала, что именно с этим научным направлением в геотехнологии можно и нужно связывать основные ожидания по кардинальному снижению вклада минерально-сырьевого комплекса в глобальный экологический кризис, порождённый явным несоответствием темпов роста добычи вещества литосферы потенциалу демутации естественной биоты Земли.

В результате комплекса аналитических, теоретических и экспериментальных исследований, поддержанных РФФИ, были выделены принципы функционирования биологических систем, определяющие движение в них вещества и энергии, одновременное действие которых обеспечивает полную экологическую чистоту каждой системы по отношению к другим.

Учитывая антагонистический характер противоречий между техно- и биосферой, методические подходы к решению вопроса о возможности конвергенции биологических и технических знаний исходят из основных положениий гомеостатики о способах поддержания жизненно важных параметров взаимодействующих систем путём управления противоречиями. Сильно упрощая, гомеостатические механизмы можно представить как результат интеграции (“склеивания”) по определённым правилам двух антагонистов. Такая система оказывается устойчивой, несмотря на то, что каждый антагонист в ней может являться неустойчивым образованием [11].

Применение методов гомеостатической трансформации позволяет перейти от анализа принципов функционирования равновесных биологических систем к синтезу функциональной структуры горных технологий, экологические последствия использования которых будут сбалансированы с локальной устойчивостью естественной биоты, воспринимающей техногенную нагрузку. Таким образом можно перенести биологическую информацию в техносферу: геотехнологический гомеостат поэтапно формируется на основе структуры гомеостата биологического с заменой содержательных элементов на геотехнологические целевые аналоги. Применительно к проблеме комплексного освоения недр это означает, что антагонистические по своему внутреннему содержанию компоненты действующих природно-технических систем не противопоставляются друг другу, а объединяются в составе конвергентной технологии комплексного освоения месторождения. В этом случае управляемая гармония между несовместимыми компонентами достигается за счёт подобия их функциональных структур и ограничения уровня техногенных воздействий диапазоном толерантности видов-эдификаторов биоты природных экосистем (рис. 1).

Рис. 1.

Биотехнологические принципы формирования конвергентной горной технологии освоения месторождения

Система расположения биотехнологических принципов формирования конвергентных горных технологий, показанная на рисунке 1, отражает иерархию их функциональной дифференциации по характеру участия в экологически сбалансированном процессе разработки месторождения. Первые два размещённые по вертикали принципа формируют новый облик горной технологии добычных работ, которая возникает благодаря гомеостатической трансформации в техносферу принципов функционирования биологических систем, определяющих изменение состояния вещества в них.

Третий биотехнологический принцип отражает необходимость новой организации функциональной структуры горнотехнической системы разработки месторождения в соответствии с обращением вещества в биологических системах.

Два других принципа (4 и 5 – внешняя сторона схемы) определяют характер и условия взаимодействия компонентов всей природно-технической системы освоения ресурсов участка недр, которое обеспечивает сохранение устойчивости природной составляющей, а также экологически приемлемое энергоснабжение технической составляющей. Одновременная реализация всех биогенных принципов позволит структурировать во времени и пространстве процесс получения полезных ископаемых в полном соответствии с ограничениями экологического императива и устойчивого развития.

Минеральные ресурсы литосферы, по сути своей, представляют собой множество обнаруженных и идентифицированных месторождений полезных ископаемых. Использование сформулированных выше принципов открывает перспективу создания новой парадигмы технологического развития минерально-сырьевого комплекса, направленной на кардинальные решения в области сохранения естественной биоты Земли, и определяет исполнительную структуру основного объекта технологических исследований – природно-технической системы освоения запасов полезных ископаемых, локализованных в литосфере Земли.

Для идентификации понятия “природно-техническая система освоения запасов литосферы” необходимо определить динамику и особенности внутреннего развития природной и технической подсистем, а также рассмотреть характер их взаимодействия с тем, чтобы при освоении конкретного участка литосферы были бы обеспечены условия “оптимального функционирования природно-технической системы” на основе “экологически безопасного размещения элементов техносферы” [12].

Природная составляющая в данном случае формируется не по принципу накопления и констатации данных о масштабах и интенсивности техногенного нарушения основных геосфер Земли в процессе извлечения полезного ископаемого – она должна представлять собой систему действий и ограничений по оценке и преодолению биологических последствий этих нарушений в различных масштабах времени, то есть может быть рассмотрена как полиобъектный кластер. Исходя из известного определения понятия производственного кластера как “механизма концентрации усилий” [13], можно утверждать, что основные элементы природно-технической системы освоения запасов месторождения – это два полиообъектных кластера, которые концентрируют усилия в разных направлениях. Производственно-технический кластер имеет своей целью эффективную и безопасную добычу полезного ископаемого, а природоохранный формируется как система действий и ограничений по предотвращению необратимых экологических последствий неизбежного локального разрушения литосферы. Каждый из этих кластеров состоит из нескольких монокластеров низшего порядка, которые, в свою очередь, формируются из функциональных систем различного назначения (рис. 2).

Рис. 2.

Схема функциональной структуры конвергентной технологии комплексного освоения месторождения

Взаимодействие указанных составляющих, как и в каждой сложной системе, определяется тем, что одна из них управляющая, а другая – исполнительная [14]. Исполнительная, в нашем случае – техническая составляющая, реализует основную функцию системы – добычу полезного ископаемого, а управляющая – регулирует её проведение с учётом изменяющихся условий среды и требований сохранения естественной биоты Земли. Отсюда с очевидностью следует, что функциональная эффективность технической составляющей в общей системе всегда будет определяться характером взаимодействия природного и технического кластеров по критериям экологической безопасности и эффективности применяемых технологий.

В целом модернизация технологической парадигмы развития минерально-сырьевого комплекса в направлении постепенного перехода к конвергентным технологиям позволит разрешить в этой сфере деятельности глобальное антагонистическое противоречие между техно- и биосферой путём его трансформации в цепь локальных противоречий между конкретным добывающим предприятием и реальной экосистемой. Каждое локальное противоречие преодолевается за счёт целенаправленного создания и применения технологических решений, уровень экологического воздействия которых не выходит за рамки диапазона толерантности видов-эдификаторов фитоценоза нарушаемых экосистем.