Доля первичной продукции, переходящей в чистую, в умеренном поясе составляет 60...70%, на экваторе - 40% (при высоких температурах большие расходы на дыхание). Человек в основном увеличивает доли чистой продукции (повышает отношение пищи к волокну). Чистая первичная продукция у деревьев почти на 80% сосредоточена в кронах, а у трав - 2/3 в корнях. Продуктивность агросистем и пустынь может различаться на 2 порядка (т.е. в 100 раз).

Наибольшая продуктивность в агросистемах получена в передовых странах (урожай зерновых по 50...60 ц с га) и значительно ниже она в отсталых странах (11...15 ц с га). На суше создается 3300 млн.т биомассы (78% - растения и 22% - животные), а в океане - 73 млн.т (0,9% - растения и 99,1% - животные).

Превращения энергии в экосистемах идут по пищевым (трофическим) цепям. У продуцентов она идет на рост биомассы, создание запасов и дыхание. Начало пищевых цепей - растение, его живая ткань (прямое поедание), семена (зерноядные), проводящая ткань (активное извлечение микоризой), мертвая ткань (диспергированная органика), эксудаты (растворенная органика) и, наконец, цветки (нектар). Общая схема превращения энергии растениями включает поедание их растительноядными для живой ткани и потребителями диспергированной органики - детрита для мертвой ткани. Потребители детрита и растительноядные становятся пищей хищников. Каждый переход энергии уменьшает ее примерно на один порядок.

При анализе пищевых цепей необходимо учитывать возможность концентрации токсических соединений при движении по цепи. Так, содержание радиоактивного фосфора в яйцах гусей в 1 млн. раз выше, чем в воде; при содержании ДДТ в воде 0,00005 части на миллион частей воды его концентрация при переходе от простейших к рыбам и птицам увеличивается в 0,5 млн. раз.

По мере превращения энергии в пищевых цепях происходит повышение ее качества: количество ассимилированной энергии растения при переходе ее к хищникам уменьшается в тысячи раз, а качестве повышается тоже в тысячи раз (в цепи растение-уголь -электроэнергия количество и качество меняются в 8 раз).

Экологическая или пищевая пирамида - это трофическая по численности, биомассе и энергии живых организмов в экосистеме. Иначе, это диаграмма, в которой количество особей, биомасса или энергия изображены в виде горизонтальных прямоугольников, поставленных друг на друга. Основанием служит первый уровень (уровень продуцентов), а последующие уровни (консументы) образуют этажи и вершину пирамиды.

Экологическая пирамида по численности мало информативна, так как численность особей в популяциях может варьировать в 1017 раз; более информативны пирамиды по биомассе (их варьирование не выше 105 ) и энергии (всего в 5 раз). Примерами пищевой пирамиды могут быть биомассы кедровых орехов, питающихся орехами белок и питавшихся белками горностаев. Соотношение биомассы в экосистеме люцерна - телята - мальчик (при условии, что мальчик в течение года питается только телятами) составляет 8211 кг люцерны, 1035 кг телят и 48 кг мальчика; по энергии цифры соответственно составляют 1,49*107 кал; 1,19*106 кал и 8,3*103 кал. Различие в результатах по биомассе и энергии отчасти объясняется изменениями обмена в зависимости от размеров (обмен растет пропорционально массе в степени 2/3).

Увеличение размеров экосистем повышает обычно величину ее отдачи, но в то же время снижает долю чистой продукции из-за роста стоимости самоподдержания системы. Уравновешивание скорости поступления и расхода энергии приводит к прекращению роста биомассы, объем которой в этот момент характеризует максимальную поддерживающую емкость среды. Оптимальная емкость, при которой скорость образования биомассы будет наибольшей, ниже максимальной емкости примерно в 2 раза. Так, в естественном опыте максимальное число оленей в загоне 500 га через несколько лет составило 200 голов, а оптимальным установившемся уровнем оказалось 100 голов.

1.4.3 Классификация экосистем

Энергетическая классификация экосистем различает 4 типа: 1) природные несубсидированные экосистемы, получающие энергию только от Солнца (открытые океаны, глубокие озера, высокогорные леса); 2) природные экосистемы, субсидируемые Солнцем и другими естественными источниками (дождевые леса, приливные зоны и т.д.); 3) природные зоны, субсидируемые человеком и Солнцем (агрозкосистемы, аква-культура); 4) зоны, получавшие энергию от других экосистем в виде питания и топлива (города или урбанизированные территории).

Наибольший интерес из субсидируемых экосистем представляют урбанизированные территории и агроэкосистемы. Экологические особенности урбанизированных территорий рассматриваются ниже в подразделе 3.2.

Интенсивные агроэкосистемы в настоящее время занимает около 60% всей пашни планеты. Для них характерно применение дополнительного потока энергии (кроме солнечной), резкое уменьшение разнообразия живых организмов и доминирование искусственного отбора. В доиндустриальных агроэкосистемах требовалось меньше затрат, но они были менее эффективны при большей продуктивности на количество вложенного человеческого труда. В индустриальных агроэкосистемах затраты человеческого труда на единицу продукции меньше (в США 4% населения в сельской местности кормит остальные 96%), но общие затраты резко возрастают, что приводит к выделению больших государственных субсидий на горючее. Обеспечение населения сбалансированными продуктами питания уже сейчас привело к пятикратному, по сравнению с людьми, увеличении расходов на сельскохозяйственных животных. От интенсификации агроэкосистем выигрывают прежде всего богатые страны. Применение же самых современных и высокопродуктивных сортов растений и пород животных без соответствующего обеспечения энергией и необходимыми питательными веществами оборачивается в бедных странах убытками.

Помимо энергетической классификации экосистемы классифицируются и по Фауне, т.е. по виду продуцентов: на суше - пустыни, луга (прерии, степи, саванны, пампасы и тундра), леса (сухие и влажные тропические леса, хвойные и лиственные леса умеренного климата). В водных экосистемах выделяются речные и озерные, экосистемы затопляемых устьев рек или эстуариев, экосистемы прибрежных вод и океанических глубин.

1.4.4 Эволюция и устойчивость экосистем

Экосистемы являются динамическими образованиями с выраженными суточными, сезонными и многолетними ритмами. Первый из них обусловлен циркадианной (околосуточной) периодикой физиологических процессов в живых организмах, адаптировавшихся к смене дня и ночи соответствующими изменениями образа жизни и активности. Сезонный ритм вызван изменениями погоды в зависимости от времен года, а многолетние ритмы - периодическими изменениями климата (длительными засухами, периодами повышенной влажности и т.д.).

Наиболее динамической частью экосистемы является биоценоз. Он может полностью изменить свой видовой состав, т.е. может произойти полная замена одного биоценоза на другой. Такую смену биоценозов называют сукцессией. Так, после вырубки может полностью измениться видовой состав леса, соответственно будут меняться консументы и редуценты. Сукцессии называют первичными, если биоценоз создается на местах, лишенных растительности (например, на вновь образуемых островах). Если биоценоз создается после вырубки, пожара, рекультивации, то сукцессия называется вторичной. Необходимое условие сукцессии - это появление незанятых участков, на которые мигрируют живые организмы из других биотонов. Они приживаются, конкурируют с другими видами и преобразуют среду обитания. Результатом такой динамики становится формирование устойчивой стадии биоценоза или его климакса, в которой сложившиеся экосистемы могут существовать сотни и тысячи лет.

С увеличением масштабов хозяйственной деятельности человека все чаще наблюдаются сукцессии антропогенных систем (агрокомплексов). На протяжении тысячелетий функционируют такие комплексы на берегах Нила, в Юго-Восточной Азии и т.д. Человек и в лесных системах после поваров или вырубки лесов стремится создать на освободившихся участках посадки из более ценных для хозяйства видов деревьев, что соответственно требует больших затрат и трудоемких процессов лесовосстановления.

Для устойчивого развития экосистемы (или для поддержания состояния климакса) необходима сбалансированность потоков вещества и энергии, процессов ассимиляции и диссимиляции в живых организмах и определенное постоянство условий среды. Любая экосистема обеспечивает состояние подвижно-стабильного равновесия (гомеостаза) за счет многочисленных обратных связей, видового разнообразия биоценоза и других механизмов (например, массового эффекта при чрезмерной плотности живых организмов). Естественные экосистемы в этом отношении более приспособлены, чем антропогенные. Усиленная ассимиляция вещества и энергии ведет к появлению запасов биогенного вещества, откладывающегося в виде залежей каменного угля, нефти и газа. В наше время ежегодно в природе накапливается более 200 млн.т торфа. Меньшая приспособленность антропогенных экосистем к меняющимся условиям среды объясняется, прежде всего, применением монокультур, которые легко поражаются вредителями и массовыми заболеваниями.

2. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК

2.1 Структура и эволюция биосферы

2.1.1 Состав и границы биосферы

Создателем учения о биосфере стал Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), один из последних великих ученых-энциклопедистов. Он предсказал овладение человеком ядерной энергией, освоение космоса и создал учение о биосфере (1926 г.). В своей последней монографии, опубликованной в 1965 г., им была выдвинута концепция ноосферы.

Основная мысль В.И. Вернадского заключалась в том, что жизнь является важнейшей движущей силой эволюции Земли. Он отмечал, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Образование биосферы явилось продуктом длительных превращений вещества и энергии в ходе геологического развития Земли. В.И. Вернадский различал 4 основных компонента биосферы. Первым из них является живое вещество, т.е. совокупность живых организмов. Они обеспечивают непрерывный круговорот неорганической материи, определяя, в конечном счете, состав и характеристики газообразной, жидкой и твердой поверхностной оболочки Земли (соответственно, атмосферы, гидросферы и литосферы). Особенно наглядна роль живого вещества в преобразовании атмосферы. В табл. 2.1 приведены составы и температуры атмосферы Земли и ближайших планет, свидетельствующие об определяюшей роли жизни в эволюции земной атмосферы.

Таблица 2.1. Состав и температура атмосферы Земли и близких по массе планет Солнечной системы

Второй компонент биосферы назван В.И. Вернадским биогенным веществом. Оно представлено горючими ископаемыми и осадочными породами, образование которых связано с жизнедеятельностью живых организмов (известняк, мел и т.д.). Третьим компонентом является косное вещество, т.е. магматические, не биогеннные осадочные и метаморфические породы. Четвертый компонент - биокосное вещество - сочетает в себе свойства живого и косного вещества. Он представлен почвой, уникальным природным образованием, обладающим плодородием и являвшимся основным средством сельскохозяйственного производства (детально см. подраздел 5.3). К перечисленным 4 компонентам в последнее время добавляются радиоактивные вещества (РВ), рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль). Биосфера является особой живой оболочкой нашей планеты. Ее протяженность по вертикали представлена на рис. 2.1. Нижним пределом биосферы можно считать изотерму 100°С (критическая температура для развития бактерий), проходящую на глубине земной коры от 1500 до 15000 м. Живые организмы обнаруживались на глубине земной коры до 1700 м, на дне океана до 11000 м и в рассолах с концентрацией 250 г/л. Верхняя граница проникновения животных лежит на высоте 7000 м. Есть сведения, что живые организма проникают до высоты озонового слоя (7...8 км на полюсах и 20...25 км на экваторе). Приведенные цифры не является окончательными и могут быть уточнены при новых исследованиях.

Рис. 2.1. Схема строения биосферы

Хотя одновременно функционирующая масса живого вещества составляет всего 1/6*10-6 массы Земли, тем не менее за время существования жизни все наружные породы земного шара ими переработаны на 90% и более.

В последних своих работах В.И. Вернадский выдвинул концепцию ноосферы или сферы разума. Он отмечал: "Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним... ставится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера" (Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М.: Наука. 1995). Несомненно, глубочайшие политические изменения в мировом сообществе в последние годы существенно приближают время реализации этой концепции В.И. Вернадского.

2.1.2 Циркуляция элементов в биосфере

Выше была рассмотрена циркуляция энергии и вещества в экосистемах. Биосфера представляет собой уникальную планетарную экосистему со сложившимися биогеохимическими циклами циркуляции наиболее важных для жизни элементов. Масштабы хозяйственной деятельности человека стали настолько велики, что при определенных условиях они способны нарушить эту отлаженную за сотни миллионов лет систему регуляции природной среды (достаточно вспомнить разрушение озонового экрана и повышение содержания в атмосфере СО2). Для профилактики таких чрезвычайно опасных для жизни в целом нарушений необходимо знать основные биогеохимические циклы биосферы.

Одной из особенностей биосферы является наличие мощных буферных систем (в атмосферном воздухе, гидросфере и литосфере), способных нейтрализовать даже существенные нарушения в установившемся круговороте веществ и энергии. Надежность функционирования этих систем обеспечивается, в частности, тем, что на каждый квадратный метр Земли приходится 1260 м3 воздуха и 8300 м3 воды океанов (морей) и 2,4 м2 раздела между воздухом и водой.

Биогеохимические циклы биосферы обеспечивают живые организмы 30...40 химическими элементами, необходимыми для них. Рассмотрим важнейшие круговороты биосферы - воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.

Вода - важнейшее для живых организмов неорганическое вещество Ее запасы в биосфере 1,386 млрд.км3, из них 35 млн.км пресных вод. Основная масса воды - 96,5% находится в океане, 1,73% - в ледниках, 1,7% - в подземных водах. Остальная вода содержится во льдах вечной мерзлоты (0,02%), атмосфере (0,001%) , в озерах, болотах и реках (0,023%). Различают большой и малый круговороты воды. Малый круговорот начинается испарением воды из океана, затем следует конденсация водяных паров в атмосфере и возвращение в виде осадков в океан. Большой круговорот включает выпадение осадков на сушу. Часть из них испаряется с поверхности почвы, часть поступает в растения и в результате транспирации (испарения листьями растений) переходит в виде водяных паров в атмосферный воздух. Оставшиеся осадки через реки и подземные воды попадают в океан, завершая большой круговорот воды.

Углерод содержится в виде CO2 в атмосфере (23,5*1011 т). В процессе фотосинтеза он ассимилируется растениями и по пищевым цепям потребляется консументами разных порядков. При дыхании живых организмов выделяется CО2 , поступающий в атмосферу. Часть углерода накапливается в виде мертвой органики, переходя в горючие ископаемые. Сжигая ископаемое топливо, человек интенсивно высвобождает СО2, создавая свой биолого-технический круговорот углерода. Основная масса углерода содержится в карбонатных отложениях на дне океана и кристаллических породах земной коры (всего 2,3*106 т), в каменном угле и нефти (3.4*1015 т).

В биогеохимический круговорот включен и углерод тканей растений и животных (соответственно 5*1011 и 5*109 т),

Свободный кислород в биосфере является в основном продуктом фотосинтеза (ежегодное выделение O2 растениями составляет 2,8*1011 млн.т). Поступлений О2 в атмосферу за счет фитопланктона и водных растений почти в 5 раз меньше (0,6*1011 млн.т в год). Относительно небольшое количество O2 выделяется при разложении органики в океане и на суше. Расходование свободного 02 обеспечивается процессами дыхания, сжиганием горючих материалов и окислением органики. Полное окисление органического вещества на планете привело бы к снижению концентрации О2 до 1% и повышению концентрации СО2 до 10%. На круговорот О2 существенно влияет хозяйственная деятельность человека (10% всего количества связываемого О2 обеспечивается сжиганием топлива).

Громадный резервный фонд азота содержится в атмосфере (до 80% ее массы), атмосферный азот переводится в доступную для растений форму путем атмосферной фиксации при грозовой деятельности и фиксации биоценозами суши и океана. Существенную часть фиксации азота обеспечивают промышленные установки. Ассимилируемые живыми организмами соединения азота в реакциях с использованием энергии солнечного света или органического вещества последовательно преобразуются из нитритов в нитраты, аммиак и аминокислоты, являющихся одними из важнейших компонентов протоплазмы живых клеток.

Процесс разрушения живого вещества от протоплазмы к более простым соединениям и молекулярному азоту идет с участием денитрофицирующих бактерий. Схема круговорота азота представлена на рис. 2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2.2

Важную роль в круговороте азота в наше время играет выбросы промышленности и транспорта, антропогенные выбросы составляют около 53 млн.т NO2 в год или примерно 65% всех поступлений NO2 атмосферу.

В круговороте фосфора резервный фонд находится в горных породах и отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В процессах эрозии фосфор в форме фосфатов поступает в океан и отлагается в осадках. В мелководных отложениях на континентальном шельфе и на донных отложениях озер фосфатредуцирующие бактерии превращают фосфаты в растворимые формы, которые усваиваются живыми организмами. Фосфаты глубоководных осадков выбывают из круговорота фосфора. С мертвыми организмами, экскрециями животных соединения фосфора попадают в почву, разлагаются до растворимых фосфатов и вновь ассимилируются живыми организмами. Часть соединений фосфора из океана вместе с рыбой также возвращается в почву. В прошлые геологические эпохи такой возврат был более интенсивным за счет переноса фосфора птицами (об этом, в частности, свидетельствуют колоссальные отложения гуано, т.е. разложившегося помета морских птиц, в Южной Америке). Человечество компенсирует уменьшение содержания фосфора в почве внесением большого количества фосфорных удобрений.

В круговороте серы основной резервный фонд находится в почве и донных отложениях океанов и озер, а меньший - в атмосфере. Ключевую роль в круговороте серы играют специализированные микроорганизмы, обеспечивающие окисление и восстановление серы. В глубоководных отложениях в результате их деятельности образуется сероводород. Вместе с геохимическими и метеорологическими процессами микроорганизмы обеспечивают круговорот серы в воздухе, почве и воде. Все возрастающую роль в указанных процессах играют загрязнения атмосферы выбросами оксида серы промышленных предприятий и транспорта. Их масса составляет около 100 млн.т в год или около 15,5% всех поступлений данного вещества в атмосферу.

В завершение анализа биогеохимических циклов биосферы следует подчеркнуть их основные особенности:

1. Все круговороты сложились как идеально отлаженная последовательность процессов ассимиляции и диссимиляции веществ, обеспечивающих динамическую стабильность среды обитания живых организмов и прежде всего составов газов атмосферы, солей океана и биогенных элементов почвы.

2. Все круговороты имеют мощные буферные и обменные фонды, легко компенсирующие даже существенные изменения биогенной миграции элементов вследствие многолетних колебаний климата и расширения экономической деятельности человека.

3. Для каждого газового и водного круговоротов характерно свое время оборота биогенных элементов и веществ через живые организмы (для N2 - 100 лет, СО2 - 200...300 лет, О2 - 2000...2500 лет, Н2О - 2 млн. лет).

4. В наше время изменения, вносимые экономической деятельностью человека в биосферные круговороты, стали вполне сравнимы с масштабами соответствующих природных процессов (например, поступление CO2 в атмосферу за счет сжигания топлива человеком увеличилась более чем в 2 раза; 65% поступлений NO2 в атмосферу составляют антропогенные выбросы; промышленная фиксация N2 составляет 2/3 от биологической).

2.1.3 Эволюция биосферы

Появившиеся 3 млрд. лет тому назад живые организмы преобразовали планету, резко изменив ее воздушную и водную оболочки, поверхность и почвы. В поступательной эволюции планеты можно выделить 3 ключевых момента или этапа. Первый из них связан с переходом живых организмов к более совершенному - аэробному типу дыхания, который стал возможен при повышении содержания О2 в атмосфере до 1%. После этого последовало планетарное взрывообразное накопление О2 - от 1 до 20% за 20000 лет. При достижении содержания О2 в атмосфере до 10% и выше началось образование озона, что обеспечило развитие жизни на мелководье и последующий ее выход на сушу.

Вторым этапом стало бурное развитие жизни на суше при относительно стабильном 21% содержании О2 в атмосферном воздухе. Наблюдавшиеся на данном этапе периодические потепления и оледенения приводили к колебаниям содержания О2, нарушениям баланса процессов ассимиляции и биссимиляции органического вещества и накопления его запасов в недрах планеты.

Третий этап связан с появлением человека. После своего появления около 3 млн. лет тому назад человек вначале не оказывал существенного влияния на биосферу. Его экологическая ниша была ограничена всего несколькими регионами планеты, он был включен в естественные трофические цепи и пирамиды. Но переход человека от охоты и собирательства к производящему хозяйству и массовым охотам 10-35 тыс. лет тому назад привел к первым антропогенным экологическим кризисам.

2.2 Человек в биосфере

Человек справедливо считается венцом эволюции органического мира. Необычайная сложность такого явления как человек стала причиной многообразия подходов к изучении человека, как объекта сознания. Н.Ф. Реймерс выделяет биологический, психологический, социально-экономический и естественно природный аспекты анализа. При первом из них изучаются строение и функции человека, при втором - его этолого-поведенческие особенности, при третьем - общественные и экономические связи, при четвертом трудовые характеристики и этнические особенности. Наиболее четкой является граница между биологическими и социальными подходами. Если рассматривается индивид, репродуктивная группа, адаптивный тип и т.д., то это будет биологический аспект анализа и в том числе экология человека. Но если рассматриваются личность, семья, социальные группы и классы, то это уже социальные науки и в том числе социальная экология.

Оба указанных термина предложены в 1921 году, в нашей стране они стали использоваться с 1974 г. Ниже рассматриваются только биологические и отчасти психологические аспекты экологии человека, как биологического природного объекта, как неотъемлемой части биосферы. О единстве человека и всего органического мира свидетельствует общность элементарных единиц, кирпичиков живого вещества (аминокислот, липидов и т.д.), единые принципы передачи наследственных признаков, общие типы биологических процессов и т.д. Происхождение человека из более низких форм жизни подтверждается тем фактором, что в процессе эмбрионального развития зародыш человека последовательно проходит основные этапы эволюции животных организмов.

Как у всякого биологического вида, сообщества людей имеют определенную возрастную структуру, варианты анатомо-физиологических форм, свои особенности поведения, особенности взаимосвязей с другими видами соответствующих биоценозов. Природа может существовать и без человека, но человек является ее вершинным творением, ее наиболее совершенной частью, назначение которой и место в биосфере можно выразить словами Н.й. Заболоцкого:

И сам я был, не детище природы.

Но мысль ее! Но зыбкий ум ее !

Помимо этой специфической роли человека в природе следует указать и на другие характеристики, определившие его особое место в биосфере. Во-первых, человек является практически единственным видом, проживающим во всех основных частях биосферы, т.е. во всех климатических зонах и во всех регионах планеты, в том числе в Антарктиде. Человек осваивает околоземное пространство, изучается возможность его жизни на континентальном шельфе.

Во-вторых, промышленная революция, начавшаяся в XVIII веке, и научно-техническая революция XX века привели к резкому усилению антропогенных воздействий на биосферу. Наглядное представление о возрастающей роли человека дает схема экологических кризисов и революций по Н.Ф. Реймерсу (рис. 2.3). Почти 3 млн. лет потребовалось человеку до первого антропогенного кризиса - перепромысла мамонтов, заставившего его перейти к производящему хозяйству, т.е. разведении сельскохозяйственных животных и примитивному земледелию (на поливных землях). Для прихода второго экологического кризиса потребовалось уже не миллионы, а 10...25 тыс. лет. Развитие новых экологических кризисов в современную эпоху идет еще быстрее.

Через 200...270 лет после кризиса продуцентов наступил кризис редуцентов. В наши дни мы уже говорим о тепловом кризисе и энергетической революции, а многие экологи заявляют о начинающемся глобальном кризисе надежности экосистем, что ведет к революции экологического планирования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Экологические кризисы и революции по Н.Ф. Реймерсу (масштаб условный)

В-третьих, следует учитывать этолого-психологические особенности человека. Главной из них будет альтруизм, т.е. бескорыстная забота о благе других людей. По В.М. Эфроимсону именно альтруизм и сформировал человека как генетическую общность. Негативный взгляд некоторых ученых (например, Н.М. Амосова) на природу человека, по-видимому, сформирован резким падением нравственности в последние десятилетия, ростом числа преступников, маньяков и т.д. Однако этот резкий всплеск разрушительных тенденций и явлений можно объяснить перенаселением планеты, своего рода массовым эффектом или реакцией на демографический взрыв. Следует учитывать также выраженную инерционность человеческой психики. Переход на новые, более соответствующие нашему времени ценности, приоритеты и ориентации займет продолжительность жизни нескольких поколений людей (т.е. не менее 60 лет). Перестройка человеческой психологии в эпоху глобальных экологических кризисов тем более сложна, что она потребует изменения нравственного императива человечества, отказа от ряда освященных мировыми религиями положений и установление новых, продиктованных глубокой экологией, заповедей поведения.

2.3 Экология человека

2.3.1 Среды жизни человека и формы его адаптации к ним

Как указывалось выше, человек является единственным биологическим видом, распространенным по всей биосфере. Есть регионы с высокой плотностью населения, есть места, где человек появляется только эпизодически и сравнительно небольшими группами (например, в Антарктиде), но нет таких мест, где бы не ощущалось действие антропогенных факторов или последствий экономической деятельности человека. Даже у пингвинов Антарктиды повышено содержание ДДТ в организме, хотя места применения пестицидов находятся на удалении десятков тысяч километров.

В зависимости от степени антропогенных преобразований различаются естественные, антропогенные и формируемые среды обитания. К естественным относятся регионы, в которых остались практически в неизмененном виде сложившиеся биоценозы и где регистрируются только общепланетарные антропогенные изменения. Антропогенная среда обитания поддерживается систематическими усилиями человека и при его уходе она разрушается (например, агросистемы. грунтовые дороги, ирригационные комплексы), антропогенными могут быть целые регионы, превращенные вековыми усилиями проживающих там людей в наиболее отвечающие потребностям человека территории (например, ландшафты Англии, районы интенсивного сельскохозяйственного производства Юго-Восточной Азии). Формируемые или искусственные среды обитания представлены прежде всего городами и урбанизированными территориями, в которых даже трава может заменяться искусственными зелеными покрытиями (США). Полностью формируемыми создаются среды обитания для космонавтов и акванавтов. Последним должен быть обеспечен особый состав воздуха для дыхания, так как при создаваемых в этих случаях уровнях барометрического давления О2 становится токсичным, a N2 - наркотиком.

По функциональному назначению выделяют производственную, бытовую, селитебную и рекреационную среды. Один из вариантов последних - естественная природа с ее климатическими и бальнеологическими факторами.

Главной особенностью условий жизни человека, взятых в целом, является громадный диапазон значений воздействующих факторов. Так, в холодном климате минимальные температуры опускаются до -86°С (в Антарктиде), максимальные поднимаются до +58°С (в Ливии). В жарком влажном климате относительная влажность воздуха может неделями составлять 100%, а в жарком сухом - 10...15%. В последнем случае дневные перепады температур достигают 30...40°С (от 30°С днем до отрицательных температур ночью). Стабильным является газовый состав основных компонентов атмосферного воздуха, зато может существенно меняться содержание СО2 (повышается над влажными тропическими лесами), H2O (в зависимости от времени года) и вредных примесей (концентрация последних повышена в городах и урбанизированных территориях). С повышением высоты места над уровнем моря меняется парциальное давление О2, уменьшаясь с 159 мм рт.ст. до 110 на высоте 3000 м и 74 мм рт.ст. на высоте 6000 м. Если высоты 2500..3000 м легко переносятся большинством людей, то высота 6000 м для нетренированного человека угрожает его жизни.

Аналогичный разброс значений характерен и для других факторов среды: солнечного излучения, скорости движения ветра, стихийных явлений природы и т.д. Однако люди, длительное время проживающие в экстремальных условиях (например, в Тибете), как правило, хорошо приспособлены к этим экстремальным условиям.

Процесс приспособления к изменившимся климатическим условиям (например, в случае переезда в регион с другим климатом) называется акклиматизацией и составляет недели и месяцы при акклиматизации к жаркому климату и от 6 месяцев до 1,5...2 лет - к холодному. Длительность акклиматизации к полярным условиям помимо холода связана также с изменениями фотопериодизма (полярная ночь и день) и значительными колебаниями геомагнитного поля.

Адаптация человека, т.е. передаваемое по наследству приспособление строения, функций и поведения к ОС, соответствует общим законам биологической адаптации. Однако у человека в этом важном и сложном процессе имеются свои особенности. Первая из них заключается в применении целого ряда небиологических средств для защиты от неблагоприятных факторов, а именно:

1) применение одежды и обуви для защиты от экстремальных температур;

2) использование инженерных средств защиты (зданий и сооружений, систем отопления, кондиционирования и вентиляции, средств коллективной и индивидуальной защиты);

3) изменение калорийности и режима питания;

4) медицинская профилактика предполагаемых нарушений: повышение иммунитета; применение актопротекторов, адаптогенов и т.д.

Второй особенностью адаптации человека является специфичность его поведенческих характеристик. У животных такие реакции могут быть представлены избеганием неблагоприятных условий (например, зимняя спячка медведей, летняя среднеазиатских черепах), пассивным подчинением (например, резкие изменения поведения холоднокровных животных при существенных колебаниях температура) и активной борьбой с воздействием таких условий за счет создания сложной системы приспособительных реакций. В отличие от животных поведенческие реакции человека осознаны:

доминирующая роль в них принадлежит мотивам высокого духовного плана, тому нравственному императиву, который по мнении В.М. Эфроимсона и создал человека, позволил ему выделиться из общего ряда животных, населяющих Землю.

Третьей особенностью человека является то, что помимо его приспособления к природным и временным факторам в реакциях адаптации большое место занимают социальные условия жизни (адаптация к стрессам, рабочим нагрузкам и т.д.). Классификация факторов, к которым адаптируется человек (по Н.й. Агаджаняну), представлена на рис. 2.4.

К социальным факторам относятся экстремальные (особенно для неадаптированного человека) условия на современном производстве и в быту (включая этологопсихологические негативные воздействия) - позиции 1 и 2 и вредные факторы урбанизированных территорий - позиции 3 и 4. Первые из них вызывают стресс и приводят к психологическому дискомфорту, сердечно-сосудистым заболеваниям и суициду; вторые - к хроническим отравлениям, злокачественным опухолям, увеличению общей заболеваемости и сокращению средней продолжительности жизни.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4. Классификация факторов, требующих адаптации человека

К временным экстремальным факторам относятся несовпадение внутренних биоритмов человека (циркадианных, селенических, годичных и 11-летних гелиобиологических) с ритмами производственной деятельности и другими формами активности, что, в конечном счете, ведет к десинхронозу.

Из природных факторов требуют уточнения позиции 7 (имеется в виду изменение гравитации в космических полетах) и 8 (имеются в виду резкие суточные и сезонные перепады климатических и некоторых других физических факторов, например, солнечной активности).

2.3.2 Адаптивные типы и расы

При анализе человечества как большой системы выделяют следующие биологические уровни сложности: особь, репродуктивная группа, экологическая популяция, адаптивный тип, раса, вид-человек разумный. Популяция отличается единством морфофизиологических признаков и практически одинаковым уровнем приспособленности к условиям среды. Правда, для современного человека в связи с иммиграционными процессами и тесными связями между всеми сообществами (по крайней мере в масштабе нации или народности) понятие популяции людей уже не имеет такого фундаментального значения как в классической общей экологии. Процессы адаптации человека к условиям среды привели к появлению адаптивных типов и рас, в которых результаты адаптации выражены в наиболее наглядной форме.

Всего выделено 4 адаптивных типа: горные, арктические и тропические люди, а также промежуточная группа между двумя последними.

Арктический человек отличается плотным телосложением, у него большее наполнение тканей кровью и выше процент жировой ткани, что увеличивает теплоизоляцию ядра тела. За указанными особенностями строения тела лежат не менее выраженные различия в структуре тканей, генетическом аппарате клеток, протекании обмена и других физиологических процессах. У коренных жителей севера основной обмен повышен на 13...16%, что вместе с повышенным содержанием жира в крови и высокой способностью к его утилизации увеличивает теплопродукцию, значит и одну из основных адаптивных реакций к холоду. Способности к сужению сосудов ослаблены, что повышает защищенность периферических тканей тела от обморожения (чукчи и эскимосы легко переносят самые жестокие морозы).

Для тропического человека характерно удлинение формы тела, повышение относительной поверхности испарения. Увеличено число потовых желез, что позволяет поднять интенсивность потоотделения. Уровень метаболизма снижен. Характерные большие губы и нос также способствуют повышению теплоотдачи. В коже содержится много пигмента меланина, что придает ей черный цвет и спасает от опасного ультрафиолетового облучения. Вообще для тропиков характерна большая вариабельность рас, этносов и морфологии (самые большие и самые маленькие люди на планете -аборигены тропического леса). Близко к тропическому типу находятся и жители тропических пустынь, имеющие те же морфофизиологические особенности, дополненные более эффективной регуляцией теплоотдачи, что уменьшает негативное воздействие резких перепадов температуры, характерных для аридных зон.

Население умеренной зоны занимает промежуточное положение между двумя рассмотренными адаптивными типами.

Последним из 4 адаптивных типов является горный человек. Для него характерно существенное увеличение размеров грудной клетки и теплопродукции, скорости кровотока и интенсивности кроветворения. У жителей высокогорья выше легочная вентиляция и кислородная емкость гемоглобина, усилен периферический кровоток, число и величина капилляров. Все это повышает устойчивость к сниженному парциальному давлению O2 в атмосферном воздухе и низким температурам, характерным для высокогорья.

Для РФ наиболее важное значение имеют проблемы адаптации к северным условиям, так как Север занимает 60% площади РФ. Коренные малочисленные народности Севера составляют всего 3% из 8 млн. северян. Их морфофизиологические особенности являются эталоном для оценки степени адаптации приезжего населения к арктическим экстремальным условиям.

Наибольшая выраженность приспособительных форм адаптации наблюдается на следующем иерархическом уровне сообществ людей - на уровне рас, т.е. исторически сложившихся групп людей с обеими физическими особенностями: цветом кожи, глаз и волос, очертаний головы, ростом и т.д. Современное человеческое общество разделяется на 3 или 5 рас. В первом случае это будет белая евразийская, черная экваториальная и желтая азиатско-американская (монголоидная) расы; во втором случае - негроидная, европеоидная, монголоидная, американская и австралоидная большие расы. Расы сформировались около 30...40 тыс. лет тому назад. Все представители экваториальной (негроидной) и австралоидной рас относятся ко второму адаптивному типу - тропическому человеку; евразийская раса - к промежуточному; арктическая подраса монголоидов - к арктическому человеку. Каждая раса или подраса обладает теми типичными чертами, которые характерны для соответствующих адаптивных типов.

2.4 Основные направления антропогенных воздействий на биосферу

2.4.1 Современные воздействия человека на биосферу

Основное воздействие человека на биосферу связано с его экономической деятельностью. Менее значимы другие аспекты контактов человека с ОС, хотя в определенных условиях и они могут быть значительны (например, антропогенная нагрузка на ландшафты в районах массового туризма). Ниже будут рассмотрены те отрасли экономики, которые создают специфические и наиболее значительные изменения в ОС: добыча полезных ископаемых (ПИ), промышленное производство, энергетика, сельское хозяйство и транспорт.

Добыча ПИ ведется уже несколько тысячелетий. Но только в XX веке ее масштабы стали угрожать запасам ПИ, а размах геолого-разведочных и горных разработок стал одной из главных стациально-деструктивных (от латинского statio - местопребывание) нарушений ОС. За последние 25 лет человеком использовано столько же сырья, сколько его было изъято за всю предыдущую историю человечества. В результате запасы ПИ резко сокращаются, а некоторых из них (например, серебра) хватит всего на несколько десятков лет. За 100 лет добыча угля выросла в 15 раз, а нефти - в 7000 раз. По прогнозам в начале XXI века человеку потребуется в 2,5...3 раза больше сырьевых ресурсов, чем расходуется сейчас. Добыча ПИ вызывает значительные стациально-деструктивные нарушения, т.е. порчу земель выемками, отвалами и терриконами, нарушение сложившихся гидрологических режимов и т.д. Особенно велики эти нарушения при открытой добыче ПИ. Миллионы тонн косной породы при этом размещаются на плодородных землях, разработки протяженностью на десятки км уходят в глубину на сотни м. Перевозка ПИ связана с загрязнениями атмосферы, а добыча и транспортировка нефти - с загрязнением поверхностных вод. Каждая авария нефтеналивных танкеров является крупной экологической катастрофой с резкими нарушениями экосистем.

Не менее губительно для ПС промышленное производство, для которого ежегодно требуется около 100 млрд.т ПИ, 800 млн.т металла и 60 млн.т синтетических материалов. Промышленное производство постоянно расширяет перечень вредных и опасных факторов, создает высокие уровни акустических шумов и производственных излучений, является главным загрязнителем биосферы и одной из причин изъятия плодородной земли из сельскохозяйственного пользования.

Опережающими темпами развивается энергетика, потребляя сотни миллионов тонн горючих ископаемых, создавая вторую по массе группу загрязнений атмосферы. Гидроэлектростанции, широко представленные в РФ, потребовали создания громадных водохранилищ, занимавших миллионы га плодородной земли (половина всей площади рукотворных морей приходится на РФ), переселения более млн. человек и переноса на новое место больших городов (например, Тольятти). Опасность для человечества атомной энергетики наглядно продемонстрировала Чернобыльская катастрофа.

Современное сельское хозяйство является главной причиной уничтожения лесов (к настоящему времени их уничтожено 2/3), деградации почв, т.е. их истощения из-за преимущественного применения монокультур, засоления и заболачивания почв из-за нерационального полива, попадания в поверхностные воды эвтрофицирующих загрязнений, т.е. субстрата для бурного роста водной растительности и т.д.

В ряде стран основным загрязнителем атмосферы стал авто транспорт (в США он является источником 60% выбросов в атмосферу). Транспорт создает основу для образования смога и массовых отравлений населения в крупных городах Запада. Выбросы автотранспорта - одна из главных причин загрязнения биосферы свинцом, Сейчас в РФ главным загрязнителем биосферы является промышленность, на втором месте - энергетика, на доли транспорта приходится только 10...15% выбросов. Но при современных темпах роста уличного автотранспорта в РФ ужев ближайшие годы следует ожидать резкого повышения роли этой группы выбросов.

2.4.2 Общая характеристика негативных воздействий экономической деятельности человека на ПС

К основным негативным последствиям антропогенных воздействий на ПС относятся загрязнения, стациально-деструктивные нарушения и биоценотические изменения (рис. 2.5).

Под загрязнениями понимается не только появление в ПС нехарактерных для нее компонентов, а также имевшихся в ней компонентов, содержание или уровень которых превышает экологическую норму интенсивности. Например, СО2 входит в число обязательных и необходимых для жизни компонентов атмосферы, однако повышение его содержания до нескольких процентов, безопасных для жизни человека, создает парниковый эффект, ведущий к катастрофическим изменениям в биосфере.

По происхождении различают естественные и антропогенные загрязнения, по составу - материальные и энергетические, по агрегатному состоянию материальные загрязнения могут быть газообразными, жидкими и твердыми, жидкие и твердые загрязнения создают дисперсные системы в атмосфере; в воде они представлены в виде растворов, взвесей и пленок (последнее - при загрязнениях нефтью). Кроме того, загрязнения обычно классифицируются по их источнику (например, промышленные или транспортные) и объекту воздействия (загрязнения атмосферы, воды и т.д. вплоть до космоса), по температуре - горячие и холодные и т.д.

Источники выбросов в атмосферу классифицируются: а) по назначению - на технологические, содержащие хвостовые газы, и вентиляционные выбросы от местных отсосов; б) по месту расположения - не затененные, превышающие высоту здания в 2,5 раза; затененные, расположенные на высоте в 2,5 раза меньше высоты здания, и наземные; в) по особенностям рассеивания в атмосфере - высокие, на высоте выше 10 м, и низкие, на высоте менее 10 м; г) по геометрической форме - точечные (сосредоточенные) и линейные (рассредоточенные); д) по режиму работы - непрерывного действия, залповые (например, при сжигании быстро горящих отходов) и мгновенные, происходящие за доли секунды (при взрывах и авариях); е) по дальности распространения - внутриплощадочные (в пределах промплощадок и их санитарно-защитных зон) и внеплощадочные, создающие загрязнения выше ПДК на территории жилых районов. К материальным загрязнениям относят механические загрязнения, результат воздействия которых обусловлен их физическими характеристиками (например, размером, плотностью, абразивностью и т.д.), химические, биологические и радиоактивные. Механические загрязнения атмосферы, представлены инертной пылью, воды - взвешенными частицами, литосферы - косным веществом.

Рис 2.5.

Основная группа материальных загрязнений - химические; их воздействие обусловлено химической структурой вещества. Химические загрязнители чаше всего являются ядами, т.е. веществами, способными в малых дозах вызвать отравление. То, что химические загрязнители могут быть и не ядами, показано на приведенном выше примере с СО2. Действие ядов или токсических веществ зависит от их концентрации, продолжительности действия (экспозиции), агрегатного состояния и т.д. Различаются следующие токсические вещества: 1) общеядовитые, вызывающие поражение всего организма или его основных систем и функций (СО, выводящая из строя перенос кислорода от легких к тканям; цианиды, блокирующие клеточное дыхание; фосфороорганические вещества или нервно-паралитические, блокирующие передачу импульсов с нервов на исполнительные органы, и т.д.); 2) раздражающие вещества, вызывающие поражение слизистых оболочек и дыхательного тракта (хлор, аммиак, сернистый газ, оксиды азота и т.д.): 3) сенсибилизирующие вещества или аллергены, вызывающие важную группу аллергических заболеваний, главным из которых является бронхиальная астма (формальдегид, растворители, лаки, краски и т.д.); 4) канцерогены, вызывавшие развитие злокачественных опухолей (никель, соединения хрома, асбест, радон и т.д.); 5) мутагены, приводящие к мутациям, т.е. к стойким изменениям наследственных структур (например, марганец, свинец, радий);

6) тератогены, приводящие к нарушениям эмбрионального развития, появлению ненаследуемых дефектов (например, таломид).

Для веществ 4 и 5 группы характерен длительный период между попаданием вещества в организм и развитием негативного эффекта; у канцерогенов этот период может составлять годы и десятки лет, а у мутагенов - несколько поколений.

В группу биологических загрязнителей входят: 1) микроорганизмы - возбудители инфекционных болезней: 2) продукты биотехнологических производств (молекулы белка, ферментов, гормонов и т.д.), вызывающие аллергические заболевания; 3) бытовые стоки и стоки предприятий пищевой промышленности, т.е. вещества, требующие для своего окисления большого количества O2 и являющиеся питательной средой для водной растительности; 4) органические соли и кислоты (главным образом пестициды), токсины, т.е. яды органического происхождения и т.д.

В группу энергетических или физических загрязнений биосферы входят акустические, электромагнитные, тепловые, световые и радиационные воздействия. Первая группа включает в себя акустический шум, инфразвук и ультразвук. Негативное их воздействие появляется только после превышения нормы экологической интенсивности; их источниками являются промышленность, транспорт, медицинское оборудование и т.д.

Электромагнитные загрязнения создаются токами промышленной и высокой частоты; источниками СВЧ-загрязнения являются радиолокационные станции.

Тепловые загрязнения характерны для поверхностных вод, их источниками являются теплоэлектростанции.

Правомерностью отнесения световых воздействий к загрязнениям свидетельствует признание судом США правомерности исков фермеров к владельцам нефтеперерабатывающих заводов при нарушении светового режима и снижении урожая в результате сжигания в факелах попутного газа.

Ионизирующие загрязнения возникают при использовании медицинских и технических приборов, применяющих источники Х -излучений, и специальные источники для измерителей плотности, толщины и т.д.

Стациально-деструктивные нарушения создаются в результате расширения сельскохозяйственного производства, гидротехнического строительства, добычи ПИ и т.д. Разнообразные формы этих нарушений можно объединить в следующие 5 групп: 1) нарушения естественной формы поверхности земли и ее ландшафтов, производимые всеми формами геолого-разведочных и горных разработок, включая открытую добычу ПИ. Особый вид таких нарушений представляют эстетические "загрязнения", т.е. строительство зданий и сооружений, не вписывающихся в природный ландшафт или сложившуюся зону застройки; 2) нарушения гидрологического режима грунтовых и поверхностных вод, создание экологически и экономически нецелесообразных водохранилищ и гидротехнических сооружений; 3) разрушение естественных растительных сообществ, главным образом лесов, в результате расширения пашни, вырубки

деловой древесины, лесных пожаров и т.д.; 4) истощение плодородия почв, т.е. эрозии во всех ее видах и формах, 5) изъятие плодородных земель для создания урбанизированных территорий, размещения отвалов, терриконов, транспортных путей, затопление земли при гидротехническом строительстве и т.д.

К негативным биоценотическим изменениям относятся: 1} создание комплексного фактора беспокойства, под воздействием которого животные покидают свои естественные ареалы, их численность резко сокращается, а некоторые виды могут исчезнуть полностью; 2) случайная и направленная интродукция видов, нарушающая сложившееся экологическое равновесие; 3) нерегулируемые собирательство и охота, а также браконьерство, приводящие к исчезновению ряда видов животных; 4) перепромысел ценных видов наземных и морских животных и рыб.

3. АКТУАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В БИОСФЕРЕ

Согласно рис. 2.3 для конца XX века характерно резкое ускорение вектора влияния человечества на биосферу и вхождение нашей жизни в сплошную полосу экологических кризисов и проблем. Представленные на рисунке кризисы продуцентов и энергетический могли быть дополнены демографическим взрывом, угрозой разрушения озонового экрана и т.д. Перечень экологических проблем велик, все они неразрывно связаны друг с другом, а поэтому принятое ниже изложение в известной мере искусственно выделяет некоторые из них, а именно: проблемы роста народонаселения, урбанизации, глобальных последствий загрязнений атмосферы, истощения природных ресурсов и радиоактивных загрязнений. В связи с масштабами экологических нарушений приводятся и материалы по экологическому риску. Рассматриваются и актуальные региональные проблемы. Перечень вопросов можно было бы продолжить (например, рассмотреть угрозу сокращения биологического разнообразия, разрушения средообразующих компонентов биосферы и т.д.), но они отчасти рассмотрены в других разделах пособия.