Понятие поддерживающей ёмкости среды: рост систем и оптимальный размер города

Понятие поддерживающей ёмкости среды

Любая система — будь то популяция, экосистема или город — не может расти до бесконечности. Чем крупнее и сложнее она становится, тем дороже обходится её поддержание. Рано или поздно затраты энергии достигают предела доступных ресурсов, и рост прекращается. О том, как работает это правило и почему у каждой системы есть свой оптимальный размер, пойдёт речь ниже.

Понятие поддерживающей ёмкости среды

По мере того как система увеличивается в размерах и усложняется, растут и её функции, и энергетическая стоимость поддержания структуры. Закономерность здесь нелинейна: если габариты системы вырастают вдвое, то количество энергии, расходуемой на снижение энтропии, увеличивается более чем в два раза.

В итоге проявляется закон уменьшения отдачи: вместе с масштабом растут и затраты, что объясняется удорожанием «откачивания» неупорядоченности из системы. Однако часть этой растущей платы за сложность компенсируется выгодами — экономией, связанной с масштабом.

Дополнительные функциональные петли и цепи обратной связи способны повысить эффективность использования энергии и вторичного употребления веществ, а также усилить устойчивость экосистемы к нарушающим воздействиям. Поэтому с увеличением размеров и сложности системы вступает в силу и закон увеличения отдачи.

Когда затраты энергии на поддержание сравниваются с объёмом доступной энергии, рост системы останавливается. Количество биомассы, которое способна поддерживать среда в данных условиях, называют максимальной поддерживающей способностью, или ёмкостью, среды.

Увеличение размеров и сложности популяций, а нередко и целых экосистем, чаще всего идёт по S-образной кривой и описывается логистическим уравнением:

N = \dfrac{K}{1 + \left(\dfrac{K - N_0}{N_0}\right)e^{-rt}}

где K — наибольшая поддерживающая ёмкость среды, N₀ — размер системы в начальный момент времени t = 0, r — удельная скорость роста.

На этой кривой выделяют точку перегиба, обозначаемую как точка I, — в ней скорость роста достигает максимума. Величину I называют ещё оптимальной поддерживающей ёмкостью, поскольку именно на этом уровне биомасса восстанавливается быстрее всего.

Удержать систему на максимальном уровне K довольно трудно. Из-за колебаний внешних условий её размеры могут превысить максимальную ёмкость среды, и тогда энтропия превзойдёт способность системы рассеивать её. Поэтому разумнее ограничивать габариты системы на уровне оптимальной поддерживающей ёмкости, которая составляет около 50 % от максимальной, — это обеспечивает устойчивое существование системы.

Поддерживающая ёмкость среды для города

Такой подход особенно актуален для населения Земли, потребление которого вплотную подступило к максимальной производительной способности планеты. Любое сильное стрессовое воздействие — засуха, эпидемия или война, — сокращающее урожай хотя бы на год, оборачивается голодом или недоеданием для миллионов людей.

Однако вместе с расширением города ухудшается и качество жизни — прежде всего из-за загрязнения воздуха и общего ухудшения состояния окружающей среды. С увеличением площади города растут:

1. расходы на его обслуживание и поддержание;
2. транспортные затраты;
3. безработица в периоды экономического спада;
4. уровень заболеваемости населения;
5. расходы на отопление и охлаждение;
6. уровень преступности.

Рациональный баланс между выгодами и затратами достигается в городах умеренного размера — с населением порядка 100–200 тысяч человек. Именно в таких условиях преимущества масштаба ещё не перекрываются издержками чрезмерного роста, а система остаётся устойчивой.