Биоинженерные принципы построения подземных геотехнологий Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

----------------------------------------- © Ю.П. Г алченко, Л.П. Бурцев,

Г.В. Сабянин, 2004

УДК 622:502

Ю.П. Галченко, Л.П. Бурцев, Г.В. Сабянин

БИОИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГЕО ТЕХНОЛОГИЙ

Семинар № 7

в я одражание замечательным способ-

ж. Л. ностям животных и уникальным возможностям биологических систем является сегодня одним из новейших направлений в стремлении человека усовершенствовать свой мир на основе принципиально новых идей.

Сотни миллионов лет растения и животные развивались, разнообразились и приспосабливались к всевозможным изменениям условий своего существования. В результате, методом "проб и ошибок" были найдены удивительные по своей простоте и эффективности решения, обеспечивающие развитие и самосохранение сложнейших по структуре и характеру взаимодействия биологических сообществ.

И сегодня, в эпоху стремительного развития глобального экологического кризиса, когда созданная человеком экономика необратимо изменяет биосферу, а "биосферосовместимая" экономика категорически не устраивает технократическую цивилизацию, совершенно логичной представляется попытка найти в процессе познания законов внутреннего развития биологических систем новые идеи, которые помогли бы преодолеть эти противоречия. При этом речь идет не о простом копировании тех или иных находок природы. Человек как единственное живое существо, способное активно изменять условия своего существования, пытается, на основе применения законов внутреннего развития биологических систем, найти принципы, которые он мог бы использовать для решения своих собственных проблем. Одной из таких проблем, имеющих жизненно важное значение, является неразрешимое противоречие между постоянно растущими потребностями цивилизации и неспособностью геосферы обеспечить эти потребности.

Получение полезных ископаемых из недр Земли является сегодня и в обозримом будущем безальтернативной необходимостью для

самого факта существования современного человека. Поэтому в рамках поисков глобальной концепции совместного и бесконфликтного развития общества и природы исключительно важное место занимает проблема экологической безопасности освоения минеральных ресурсов.

В методологическом плане ее решение может быть достигнуто за счет трансформации упомянутого выше глобального противоречия между био- и техносферой, в цепь локальных противоречий между добывающими предприятиями и реальными экосистемами, преодолеваемых путем целенаправленного создания и выбора технологических решений, уровень внешнего воздействия которых не выходит за рамки диапазона толерантности структурообразующих элементов биоты этих экосистем [1]. Г енеральная идея создания подобных технологий в самом общем виде была определена академиком В.И.Вернадским, как "ноосферная" задача встраивания производственных процессов в естественные циклы биогеохимического кругооборота вещества..." [2]. В наши дни, когда антагонизм человека и природы принял глобальный характер, а разрушение естественной биоты Земли постепенно обретает черты необратимости, жизненно важной необходимостью становится, по мнению академика Н.Н.Моисеева, "...кардинальная перестройка принципов функционирования техносферы в соответствии с естественными циклами биосферы..." [3].

Развивая эти идеи, применительно к особенностям освоения недр нашей планеты и опираясь на гипотезу о том, что уровень безопасности техногенных геосистем по отношению к системам биологическим, пропорционален степени единообразия основополагающих принципов функционирования каждой из них, можно легко перейти к идее создания геотехнологии, построенной по типу процессов, ха-

рактерных для природы, то есть - экогеотехнологий.

Естественная биота Земли, как система, развивается по объективным законам, действие которых не может быть произвольно изменено человеком. Законы эти видоизменяются, усложняются при переходе от одного уровня организации живой материи к другому, но общая схема и принципы функционирования биосистем, обеспечивающие их экологичность и устойчивость, остаются одними и теми же [4]:

• использование ресурсов и избавление от отходов в рамках замкнутого кругооборота вещества;

• воспроизводство биомассы за счет экологически чистых компонентов абиоты и энергии Солнца;

• воспроизведение на каждом трофическом уровне только новой биомассы, количество которой обратно пропорционально длине пищевых цепей;

• устойчивость экосистем определяется видами первого трофического уровня;

• однонаправленная эволюция биосистем в условиях действия периодических природных факторов.

Методологический подход к проблеме трансформации биосистемных принципов в инженерные может базироваться на концептуальных положениях гомеостатики о способах поддержания жизненно важных параметров взаимодействующих систем на основе управления противоречиями.

Статическая и динамическая устойчивость систем, построенных на взаимодействии противоположных тенденций (например, антагонистических противоречий между био- и техносферой), зависят от совершенства структур, способов соединения ("склеивания") антисистем нижнего уровня иерархии с их противоречиями и, главным образом, от алгоритмов управления этими противоречиями [5]. Используя эти положения, можно перенести биологическую информацию в техносферу путем построения геотехнологического гомеостата, на основе функциональной структуры гомеостата биологического (рис.) с заменой содержательных элементов на геотехнологические целевые аналогии (см. рис.).

Первый и второй из обозначенных выше принципов функционирования биосистем входят в состав биологического гомеостата, обеспечивающего поддержание динамического по-

стоянства такого жизненно важного параметра системы, как экологическая чистота протекающих в ней процессов. При этом первый принцип отражает характер использования ресурсов, а второй - качество этих ресурсов.

Трансформируя эти принципы в геотехнологию, можно легко сформулировать такое ее свойство, как замкнутый цикл обращения твердых, жидких и газообразных отходов. Такое направление совершенствования горных технологий обсуждается и развивается достаточно давно. Современная горная наука располагает достаточно широким диапазоном возможностей построения таких технологий, но практическое применение этих идей носит пока локальный по месту и времени характер. И главной причиной такого положения вещей является не отсутствие технологий, а полное отсутствие материализованной в законы и другие управляющие акты, заинтересованности Общества в реальном сохранении естественной биоты Земли.

Второй из обозначенных выше биологических принципов отражает тот факт, что ресурсы, получаемые из вне и используемые биосистемой для своего развития, не нарушают первого принципа - экологической чистоты происходящих в этой биосистеме процессов. Перенос этой позиции в техносферу позволяет сформулировать не свойство геотехнологии, а обязательное требование к методологии экологической оценки результатов ее применения. Эта оценка должна включать в себя не только прямой ущерб, наносимый природе горным предприятием по месту его размещения, но и ущерб, нанесенный другим регионам при производстве оборудования, энергии и материалов, которые используются в рамках применяемой геотехнологии добычи полезного ископаемого. Сущность предлагаемого подхода заключается в том, чтобы наряду со стоимостными показателями, отражающими в денежном выражении трудо-, энерго- и материалоемкость производства, его конечный продукт должен иметь характеристику (назовем ее экологической ценой), отражающую прямой и привнесенный экологический ущерб. Общество же, заинтересованное в сохранении природы, должно всеми доступными ему средствами декларировать и стимулировать необходимость минимизации экологической цены. Только в этом случае может появиться постоянно действующий побудительный импульс к поиску геотехнологий, не затрагивающих эволюционное развитие есте-

ственной биоты Земли. На современном уровне наших знаний измерение экологической цены можно производить в физических показателях, отражающих изменение состояния биоты (снижение продуктивности либо биоразнообразия; площадь поражения и т.п.), отнесенных к единице продукции производства. При создании кадастра различных типов первичных экосистем, такой показатель легко превращается в денежный.

Трансформация в техносферу третьего биотического принципа возможна на основе замены понятия "продуцированной биомассы" его целевым геотехнологическим аналогом - "полезное ископаемое". Тогда принцип построения геотехнологии сформулируется как требование добывать и выдавать из шахты в чистом виде только то полезное ископаемое, ради которого создан техногенный объект. В практике горных работ эта идея в той или иной мере эксплуатируется достаточно давно под названием избирательной (селективной) выемки. Общая концепция развития этого направления заключается в том, что уровень избирательности добычных работ, путем целенаправленного выбора или создания технологических решений, приводится в соответствие с характером и

Блок-схема гомеостатического управления (регулирования), выраженная через цели: ± согласованные управляющие факторы в противофазе

уровнем изменчивости естественного распределения полезного ископаемого в литосфере. При этом ключевым моментом является возможность сегрегации горной массы на руду и породу, по естественным или искусственным признакам, до выдачи ее на поверхность. В геотехнологии эти идеи разрабатываются достаточно давно, но пока без видимого успеха. В подавляющем большинстве случаев удорожание работ за счет усложнения технологии превышало выигрыш от повышения качественных показателей очистной выемки. Эта ситуация может кардинально измениться в условиях нарастающего экологического императива. При ужесточении экологических ограничений данное технологическое направление обретет значение, как одно из наиболее действенных средств снижения техногенной нагрузки на естественную биоту Земли.

Четвертый принцип функционирования биологических систем, в рамках рассматриваемой нами проблемы, относится не к внутреннему содержанию технологических решений, а представляет собой еще один, дополнительный, критерий, регулирующий их создание и выбор. Это означает, что наряду с экономической эффективностью, соответствующей требованиям рынка, и технической безопасностью, определяемой законодательством, применяемая горная технология должна обеспечивать уровень техногенного воздействия (в комплексе или по отдельным факторам), находящейся в пределах диапазона толерантности автохтонных видов-эдификаторов фитоценоза той экосистемы, в границах которой расположено данное горное предприятие. Главной научной проблемой при реализации этого принципа является выявление общих методологических подходов к созданию системы биологически значимых ограничений уровня техноген-

ных воздействий с учетом индивидуальных особенностей экосистем, а также разработка ограничивающих критериев и методов их определения.

И, наконец, последний из приведенных выше принципов функционирования биологических систем можно легко трансформировать в принцип превентивности при принятии технологических решений. Этот принцип давно реализован в горной промышленности в виде опережающего проектирования всех технологических процессов, видов горных работ и добывающих предприятий.

Применительно к проблемам сохранения естественной биоты использование этого принципа означает обязательную опережающую количественную оценку изменений абио-ты экосистем при использовании выбранных геотехнологий и приведение этих изменений в соответствие с биологически допустимыми их значениями.

Большинство из сформулированных выше биогенных принципов функционирования горного производства уже давно в той или иной мере применяются на практике. Это вполне естественно, так как человек всегда искал в природе пути решения своих технологических проблем. Здесь важно то обстоятельство, что в биологических системах эко-

1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. - М.: Научтехлитиздат,

2003, 260 с.

2. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989, 638 с.

логическая чистота их функционирования достигается за счет одновременного действия всех функциональных принципов. Точно также и необходимый для сохранения биоты экосистем уровень техногенного изменения ее абиоты может быть достигнут только путем одновременного задействования в геотехнологии всех обозначенных выше функциональных биогенных принципов.

Любая технология, созданная человеком, нарушает естественный оборот вещества и энергии в экосистеме нашей планеты самим фактом создания продукта, ранее в ней не существовавшего. Поэтому часто применяемое словосочетание "экологически чистая технология" не имеет никакого смысла. Можно говорить только о степени опасности той или иной технологии для какой-либо экосистемы. Сформулированные в этой работе биогенные принципы построения экотехнологии освоения недр следует рассматривать, как те направления развития геотехнологии, реализация которых позволит снизить техногенное воздействие на внешнюю среду до неизбежного уровня, обусловленного самим фактом искусственного изъятия части материала литосферы в хозяйственных целях.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. - М.: Молодая гвардия, 1990, 351 с.

4. Небел В. Наука об окружающей среде. - М.: Мир, 1993, 420 с.

5. Горский ЮМ. Основы гомеостатики. - Иркутск: Изд. ИГЭА, 1998, 33 с.

— Коротко об авторах -----------------------------

Галченко Ю.П. - доктор технических наук, чл.-корр. РЭА, Бурцев Л.П. - кандидат технических наук,

Сабянин Г.В. - горный инженер,

ИПКОН РАН