Антропогенные воздействия и направления этих воздействий

     Введение

            Биосфера (от греч. bios — жизнь, sphaira — пленка) — живая оболочка Земли.

     Термин  «биосфера» впервые был использован  известным австрийским ученым Э. Зюссом (1831-1914) в его книге «Лик Земли» (1875).

     Позднее термин «биосфера» использовали и другие ученые, но учение о биосфере в современном  понимании было сформулировано В. И. Вернадским (1863-1945) в его знаменитой книге «Биосфера» (1926). По В. И. Вернадскому «Биосфера представляет собой определенную геологическую оболочку, резко отличную от всех других оболочек нашей планеты...» И далее: «Живое вещество проникает всю биосферу и ее в значительной степени создает».

     Как отмечал В. И. Вернадский, геохимические  процессы на Земле и формирование лика Земли связаны с живыми существами, поэтому биосфера включает в себя собственно живую оболочку Земли (живой  материал в виде живых организмов, населяющих Землю в каждый момент) и былые живые оболочки (былой  живой материал), границы которых  определяются распределением биогенных  осадочных пород.

     По  В. И. Вернадскому «Живое вещество биосферы, единственной области планеты, закономерно  связанной с космическим пространством, есть совокупность ее живых организмов, ее живого вещества как планетного явления».

     Отмечая, что «Века и тысячелетия прошли, пока человеческая мысль могла отметить черты единого связного механизма  в кажущейся хаотической картине  природы», В. И. Вернадский сумел подняться  на вершины научного творчества. Развитые им положения стали одним из крупнейших естественно-научных обобщений XX в. 

     1.Подразделения  Биосферы 

     В. И. Вернадский подразделил биосферу на тропосферу, литосферу и гидросферу.

     Тропосфера — нижняя часть атмосферы, высота которой доходит до 20 км, где жизни уже нет, но происходят миграция и обмен биогенных газов. Объем атмосферы, в которой обнаруживается жизнь, составляет 7 444 600 км⁸.

     Литосфера — это твердая поверхность Земли, представленная ее верхними водонепроницаемыми слоями глубиной до 2-5 км, ниже которых уже лежат осадочные породы, а еще ниже — переплавленные породы гранитной оболочки. Объем почвенного слоя, в котором обнаруживают жизнь, составляет около 100 000 км³. Почва заселена такими организмами как бактерии, корненожки, инфузории, черви (нематоды), олигохеты, насекомые, клещи, мелкие млекопитающие, растения.

     Гидросфера — это водная часть биосферы, представленная реками, озерами,морями и океанами. Объем морей и океанов составляет около 1 млрд 370 млн км³, тогда как объем озер, рек, водохранилищ и учтенных подземных вод составляет около 8 млн км³. Моря и океаны являются одним из основных биотопов, хотя около 90% их объема представлены глубинами, для которых характерен полный мрак. С другой стороны, для глубин более 4000 м характерно также очень высокое давление, составляющее около 400 атмосфер. Можно сказать, что часть Мирового океана является естественной барокамерой, заполненной живыми организмами.

     Население гидросферы представлено планктоном, бентосом и нектоном. Планктон представляет собой совокупность мелких организмов животной и растительной природы, которые  либо не способны к самостоятельному движению, передвигаясь вместе с водой, либо способны, двигаясь в воде самостоятельно. Различают фитопланктон, который  в морях представлен одноклеточными водорослями (диатомовыми), цианобактериями и другими организмами, и зоопланктон, представленный одноклеточными форами-ниферами, радиоляриями и многоклеточными кишечнополостными, а также червями, ракообразными, личинками беспозвоночных животных и т. д. В планктоне пресных вод встречаются в основном низшие ракообразные и коловратки.

     Бентос  представляет собой совокупность животных (зообентос) и растений (фитобентос), ведущих придонный образ жизни (губки, кишечнополостные, черви, моллюски, ракообразные, иглокожие, асцидии, водоросли  и др.). В пресноводном бентосе содержатся личинки некоторых насекомых, брюхоногие моллюски, пиявки, губки (бадяги) и др. Нектон представлен крупными плавающими организмами (морские млекопитающие, рыбы, кальмары и др.). Нектон пресных вод представлен карповыми рыбами.

     Зона  морских приливов и отливов (осушная зона), которая может составлять всего лишь несколько метров, носит название лито-рали. Она заселена ракообразными, червями, моллюсками.

     Глубины водной части биосферы зависят от водоема. В океане они доходят  до 10 км и более, причем жизнь встречается на самых разных глубинах.

     Считают, что со времени появления жизни  на Земле живые существа непрерывно перерабатывали вещество литосферы, тропосферы и гидросферы. Поэтому мощность биосферы определяется биомассой живущих  одновременно на Земле организмов. Подсчитано, что биомасса живых существ  составляет 2,423´10¹² тонн, из которых на долю сухопутных организмов приходится 2,42´10¹² тонн, водных — 0,003´10¹². Подсчитано также, что одну треть биомассы Земли составляют одноклеточные организмы, бактерии и простейшие. Кислород в живом веществе составляет 65-70%, водород — 10%, остальные более 60 элементов — 20-25%.

     Жизнь и деятельность человека связана  с нижними слоями тропосферы (несколько  метров), верхним слоем литосферы (биогеоце-нотический покров с почвой и подпочвой, где сосредоточены корневые системы растений) и гидросферой. Теперь мы знаем, что жизнь человека длительное время возможна и в космосе.

     2.Экологические  системы

     Впервые представления об экологических  системах сформулированы в 30-е гг. А. Тенсли (1935). В нашей стране близкое понятие о биогеоценозах сформулировал в 1944 г. В. Н. Сукачев (1880—1967). В наше время под экологическими системами понимают совокупность живых и неживых элементов на определенной территории. Экологические системы состоят из живых организмов (биоценозов) и среды обитания — косной (атмосфера) и бикосной (почва, водоем и т. д.). Они иногда отделены одна от другой, но часто между ними имеются переходы. Примерами экологических систем являются озеро, лесной массив и т. д. От экосистем следует отличать биомы, под которыми, как показано выше, понимают значительные сообщества организмов, приуроченные к определенным географическим районам с их климатическими и почвенными зонами.

     Экологические системы являются элементарными  единицами биосферы. В то же время  они являются элементарными единицами  биогеохимической активности, протекающей  в биосфере. Любая экологическая  система имеет энергетический ввод, через который в нее поступает  энергия солнечного света. Световая энергия, поступающая в экосистему через ввод, поддерживает порядок  в этой системе, предупреждая повышение  энтропии

     Рассмотрим  экологическую систему на примере  озера. Как и любая экологическая  система, озеро состоит из абиотической и биотической частей.

     Абиотическая (неживая) часть экосистемы представлена воздухом, почвой, водой, растворенными  в воде кислородом, двуокисью углерода, неорганическими солями (фосфаты  и хлориды натрия, калия и кальция) и органическими соединениями. Абиотической частью является также температура, свет, ветер и гравитация, которые оказывают влияние на живую часть.

     Биотическая (живая) часть озера представлена организмами-производителями (продуцентами), организмами-потребителями (коксумен-тами) и организмами-разрушителями (редуцентами). Организмами-производителями являются автотрофы — прибрежная растительность, водные многоклеточные и одноклеточные плавучие растения (фитопланктон), живущие до глубин, куда еще проникает свет. За счет энергии, поступающей через ввод, организмы-производители в процессе фотосинтеза синтезируют органическое вещество из воды и углекислого газа. Основным показателем мощности экосистемы является ее продуктивность, под которой понимают массу органического вещества в телах организмов-продуцентов. Продуктивность экосистемы зависит от количества света, воды, богатства почвы или воды органическими и минеральными соединениями.

     Организмами-потребителями (коксументами) органического вещества служат гетеротрофы, среди которых различают потребителей первого и второго порядка. Первичными потребителями служат травоядные животные, вторичными — плотоядные, которые питаются первичными потребителями. Организмы-разрушители — это бактерии и грибы, которые разлагают «мертвую» протоплазму (органические соединения) клеток погибших организмов-производителей и организмов-потребителей вплоть до низкомолекулярных органических и неорганических соединений. Органические соединения затем используются самими организмами-разрушителями, тогда как неорганические — зелеными растениями. Итак, в экологической системе в процессе ее функционирования происходит круговорот веществ и энергии.

     Мы  рассмотрели в качестве экологической  системы природную систему (озеро), не уделяя внимания участия в ней  человека. Однако большинство экологических  систем функционирует с участием человека. В связи с этим различают  экологию отдельных индивидуумов и  сообществ людей.

     Экология  отдельных индивидуумов заключается  в том, что каждый индивидуум должен «подогнать» свою внутреннюю физиологию к меняющимся условиям среды обитания. Индивидуум получает энергию с пищей  и расходует ее для обеспечения  своих физических и интеллектуальных усилий, метаболических процессов, протекающих  в организме, роста и т. д. Благодаря  нейрогуморальной регуляции в организме  индивидуума поддерживается постоянная температура тела, оптимальные концентрации воды, кислорода, двуокиси углерода, NaCI, углеводов, белков и других важных соединений. Проникновению в организм индивидуума патогенных факторов препятствует кожа, антитела, фагоциты и другие факторы защиты. Органы чувств, нервная система и локомоторные органы позволяют индивидууму обезопасить пищу, найти друзей, избегать врагов, создавать ситуацию, наиболее благоприятную для выживания. Каждый индивидуум способен адаптироваться к измененным климатическим условиям. Все это приводит к тому, что между внутренней физиологией индивидуума и условиями окружающей среды устанавливается динамический эквилибриум.

     Однако  люди объединены в сообщества. В  состав этих сообществ входят также окружающие их растения и животные, которые являются источником пищи и других необходимых материалов для людей. Следовательно, с учетом абиотических факторов экологическую систему, в которой функционирует ^человек, составляют сообщества людей и среда их обитания. Экологические системы, в которых человек занимает важное место, чрезвычайно разнообразны по размерам, содержанию и организации, что чрезвычайно затрудняет классификацию этих систем. Тем не менее, они являются экологическими системами, в которых центрами являются деревни, города и другие населенные пункты.

     Все элементы экологических систем составляют единую совокупность, и это определяется тем, что они объединены между  собой так называемыми цепями питания, под которыми понимают передачу от организмов потребителей заключенной в пище энергии первоначального источника (Солнца) через организмы-потребители (в ряде цепей питания конечным звеном является человек) к организмам-разрушителям.

     Важнейшей особенностью цепей питания является то, что их количество в каждой экосистеме ограничено, поскольку в каждом звене  каждой цепи питания происходит потеря энергии при ее передаче. В результате этого продукция вещества понижается на каждом звене цепи. Например, 10 000 кг водорослей достаточно для накопления вещества в количестве 1000 кг водных членистоногих, а 10 кг рыбы — для накопления 1 кг вещества человека. Таким образом, пищевая цепь представляется в виде пирамиды, состоящей из нескольких трофических уровней У основания расположены фотосинтезирующие бактерии, которые являются пищей для следующего уровня, а эти организмы являются пищей для последующего уровня и т. д.

     3.Круговорот  веществ

     Химические  механизмы, лежащие в основе пищевых  цепей, представляют собой круговороты (циклы) веществ. С другой стороны, круговороты  веществ обеспечивают самоподдержание популяций.

     Круговороты веществ не являются замкнутыми. Часть  органических и неорганических веществ  вытесняется за пределы сообществ, но при этом происходит их пополнение за счет внешних источников (осадки, фиксация азота атмосферы и т. д.). Рассмотрим в качестве примеров круговороты углерода, кислорода  и азота.

     Круговорот  углерода, входящего в состав всех органических соединений, начинается с конверсии двуокиси углерода (формы углерода в атмосфере) и воды в органическое вещество (пищу). Часть этого вещества используется живыми организмами при дыхании, в результате чего часть двуокиси углерода снова возвращается в атмосферу.

     Подсчитано, что весь углерод атмосферы проходит через живые организмы за время, равное 7-8 годам. Другая часть двуокиси углерода запасается в протоплазме клеток. После смерти организмов протоплазма их клеток разлагается, в результате чего двуокись углерода также освобождается и уходит в атмосферу. Основная часть углерода содержится в форме COg в морях и океанах. Его круговорот является таким же, как и в случае атмосферного углерода.

     В экологических системах, где принимает  участие человек, двуокись углерода поступает в атмосферу также  и в результате сжигания растений в качестве топлива.

     Круговорот  кислорода заключается в том, что атмосферный кислород используется растениями и животными при дыхании (сжигании пищи), в результате которого освобождается энергия, вода и двуокись углерода в фотосинтезе, при котором освобождается кислород, после чего цикл начинается снова.

     Более сложным является круговорот азота, самым большим резервуаром которого служит атмосфера (около 80%). Поскольку большинство растений и животных не может использовать атмосферный азот (N₂), то он конвертируется почвенными азотфиксирущими бактериями, корневой системой бобовых растений и цианобактериями в нитриты (NO^-₂), а затем в нитраты (NО^-₃). Этот процесс получил название нитрификации. Растения восстанавливают нитраты, т. е. уеваивают азот и синтезируют белки. Круговорот азота далее заключается в том, что почвенные микроорганизмы разрушают животные отходы и остатки мертвых организмов, в результате чего освобождается аммоний, который конвертируется нитрифицирующими бактериями в растворимые соли нитратов, используемые в производстве белков в растениях. В результате поедания растений травоядными животными растительные белки в их организме превращаются в животные.

     В процессе гниения трупов растений и  животных денитрифи-цирующие бактерии превращают нитраты в свободный азот (NO₂ ® NО^-₂ ® N₂O ® N₂), который уходит в атмосферу, но азотфиксирую-щие бактерии снова конвертируют атмосферный азот в органические соединения, доступные для усвоения растениями.

     Свободный азот конвертируется в нитраты также  электрическими зарядами (молнией). Искусственное  добавление азотных соединений в  почву связано с использованием химических удобрений.

     Большое значение в природе имеет круговорот воды. Он осуществляется за счет солнечной  энергии, но регулируется со стороны  организмов. Под влиянием Солнца моря и океаны подвергаются испарению. Эта  вода в форме «испарений» (пара) поступает  в атмосферу, а затем выпадает в виде дождей на сушу, после чего через реки и грунтовые воды снова  попадает в моря и океаны. Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается  и испаряется растениями. Но некоторая  часть воды в клетках растений подвергается фотолизу, в результате чего она разлагается на кислород и водород. Кислород уходит в атмосферу, а водород включается в состав органических соединений клеток.

     4.Устойчивость  экосистем. Сукцессии

     Важнейшим свойством экологических систем является их устойчивость, т. е. постоянство, которое поддерживается цепями питания. Именно благодаря постоянству цепей  питания в природе поддерживается экологический гомеостаз. При этом важно заметить, что устойчивость экологических систем имеет исторический характер, а регуляция тех немногих экологических систем, в которых  человек не имеет значения, обеспечивается такими факторами, как конкуренция, миграция, хищничество, недостаток корма  или питательных веществ в  почве, болезни, температура и другими  естественными факторами.

     Напротив, в экологических системах, где  сообщества людей имеют важное значение, в качестве регулирующих механизмов действуют не только механизмы, названные выше, но и механизмы, действующие непосредственно в человеческом обществе. Ими являются законы, общественное мнение, поощрения и наказания, снабжение и потребление, конкуренция, образование, воспитание навыков экологической культуры, здравоохранение и т. д. Благодаря этим и другим экономическим, социальным и политическим механизмам каждая социальная группа сохраняет свой рабочий баланс в изменяющихся условиях окружающей среды, что оказывает существеннейшее влияние на устойчивость экологических систем.

     Следовательно, природные и общественные механизмы  способны поддерживать экологическое  равновесие и, следовательно, поддерживать динамический баланс между видами в  экологических системах и между  разными экологическими системами, в разных географических зонах.

     Наряду  с устойчивостью, экологическим  системам присуща так называемая экологическая сукцессия, заключающаяся  в смене сообществ организмов в ходе исторического развития природы, т. е. в замене одних сообществ  растений и животных (их видов) в  экосистеме растениями и животными  других сообществ (видов).

     Для экологической сукцессии, как исторического  процесса, характерен ряд закономерностей. Прежде всего, процесс экологической сукцессии весьма длителен во времени, поскольку он заключается не в быстрой и внезапной замене одних сообществ другими, а в медленной и нерегулярной замене одних видов животных или растений в сообществах другими видами, но после того, как начался процесс изменения абиотических факторов, т. е. изменяются условия абиотической среды.

     Условия, создаваемые организмами видов, начинающих сукцессий первыми, благоприятствуют затем для внедрения в экологическую  систему организмов других видов, которые, как правило, оказываются лучше  адаптированными к изменившимся условиям. Благодаря этому они быстрее заменяют организмы, ставшие менее приспособленными к новым условиям существования. Таким образом, развитие новых экологических систем (в результате сукцессии) начинается с замены первичного сообщества растений и животных более совершенными сообществами растений и животных. В конечном итоге в экологической системе устанавливается постоянное сообщество, которое разрушается лишь при воздействии на экосистему каких-либо сильнодействующих факторов.

     Сообщества  организмов, которые в течение  длительного периода существования  экологических систем не сменяются  на другие сообщества, называют климаксными. Те же сообщества, которые появляются в результате сукцессии, получили название сериальных.

     Обычно  сукцессии совершаются в течение  длительных промежутков времени, составляющих сотни или тысячи лет. Однако если же экологические системы подвергаются внешним воздействиям, то сукцессии  происходят быстрее. Можно сказать, что в результате внешних воздействий  на экологическую систему нарушается экологическое равновесие, т. е. происходят изменения (нарушения) в природе.

     Таким образом, нарушения в природе  являются результатом нарушения  экологического равновесия, разрушения исторически сложившихся экологических  систем.

     Изменения сообществ в результате сукцессии  заключаются в изменении видового состава растений и животных. Видовое  разнообразие в новых сообществах  зависит от многих факторов, начиная  от устойчивости отдельных видов К сукцессиям и вхождения их в новые сообщества и заканчивая растениями и животными, легко заселяющими территории, подвергавшиеся хозяйственному воздействию со стороны человека.

     Вернемся  к озеру, избранному в качестве примера  экологической системы. Типичным примером сукцессии является подсыхание и загрязнение озера травянистой растительностью, превращение его в болото, а затем в неудобье, загрязненное кустарником.

     Несомненно, что наряду со сменой растительности здесь происходит и смена животного  мира. Очень иллюстративным, возможно, глобальным примером сукцессии является подсыхание Аральского моря, которое сопровождается появлением на месте бывшего морского дна новых сообществ растений и животных, включая мелких млекопитающих.

     5.Антропогенные  воздействия и  направления этих воздействий

     На  примитивных стадиях своего развития человек был одним из равных видов (среди растений и животных) в  экологических системах. По этой причине  регулирующие механизмы в тогдашних  экологических системах действовали  так, как будто бы в них нет  человека. Однако с тех пор, как  человек стал важным, а затем и  доминирующим видом в экологических  системах, регулирующие механизмы стали  ослабевать или совсем разрушаться. Причины заключаются в воздействии  человека на биосферу, начала которых восходит к неолиту.

     Однако  на ранних этапах истории человека эти воздействия были незначительными. В последующем же они стали  нарастать. Обратив на это внимание, В. И. Вернадский назвал ту часть биосферы, на которой особенно сильно сказывается  деятельность человека, ноосферой.

     Особенно  прогрессирующий характер воздействий  на биосферу отмечается в новейшее время, когда деятельность человека в биосфере по многим направлениям необратимо стала глобальной, когда  его жизнь стала определяться потреблением и выбросами в гигантских размерах. Ниже показано, какими будут потребление и выбросы в ближайшее десятилетия на одного человека, начиная с 1972 г. 

     Оценка  непрерывно повышающихся все время  темпов потребления и выбросов приводит к заключению, что сохранение имеющейся  тенденции может даже увеличить  показатели, приведенные выше.

     Направлений воздействия человека на биосферу (антропогенных  факторов) очень много. Воздействия  человека на биосферу настолько значительны, что они, как считал В. И. Вернадский, создают новую оболочку Земли — ноосферу. Однако здесь мы рассмотрим лишь некоторые из этих направлений, обратив внимание на их «результативность» и на то, что человек еще не сумел изобрести механизмы, которые бы поддерживали стабильность в модифицированных им экологических системах, членом которых он является сам и которые обеспечивают его пищей и материалами, позволяющими дальнейшее развитие цивилизации.

     Среди важнейших направлений в деятельности человека в биосфере следует назвать  в первую очередь производство пищи, производство энергии, производство промышленных материалов и химический синтез, транспорт  и хозяйственную деятельность. Особое значение имеет военная деятельность в виде войн и различных вооруженных  конфликтов. Заслуживают особого  внимания вопросы, касающиеся возможного использования ядерного оружия.

     Производство  пищи. В ходе своей истории человечество всегда сталкивалось с необходимостью обеспечения себя пищей, причем эта  проблема решалась разными способами. В течение первых тысячелетий своей истории наши предки были хищниками и травоядными, а Земля в начальный период земледелия могла прокормить лишь 10 млн человек (рис. 219). Недостаток продовольствия сопровождается голодом.

     Впервые голод возник еще в древнем  Риме примерно 3,5 тыс. лет до н. э., а его вспышки сопровождают всю историю человечества, включая и наше время. В соответствии с существующими расчетами для обеспечения нормальной жизнедеятельности одного человека на протяжении 70 лет его жизни необходимо 50 т продовольствия со значительной долей белкового содержания. Сейчас население мира составляет свыше 6 млрд человек, но количества производимого белка достаточно для удовлетворения потребностей лишь половины мирового населения. Между тем по данным ООН численность населения Земли к 2020 г. превысит 7 млрд, а к 2025 г. — 8,46 млрд

     В частности, к 2025 г. население Китая составит 1,492 млрд человек, Индии — 1,445 млрд, Нигерии — 301 млн, США — 300 млн. По этой причине необходимо будет иметь продовольствия, как минимум, в два раза больше, чем сейчас.

     Одно  из традиционных направлений в производстве пищи заключается в рубке лесов  и распахивании новых земель. Уже  сейчас пахотные земли занимают 1,3 млрд гектаров (10% поверхности Земли). Однако неправильное распахивание земель ведет к эрозии почвы, к зарастанию ее сорняками. Больше того, введение в севооборот новых культур изменило содержание агроценозов, в результате чего в плодах некоторых культур стали обнаруживать ядовитые вещества. Например, в арахисе, зараженном Aspergillus flavus, обнаружен афлатоксин.

     Для достижения высоких урожаев прибегают  к обильному орошению посевов, но это ведет к засолению почв. Кроме того, прибегают к химическим удобрениям, вносимых в почву в  больших количествах, но не использованные растениями удобрения с дождевыми  или вешними водами выносятся в водоемы и «удобряют» их, вследствие чего в них усиленно размножается планктон, что изменяет водные экосистемы, ведет к экологической сукцессии с ее неблагоприятными последствиями.

     Для защиты растений в сельском хозяйстве  широко используют различные химические соединения в качестве пестицидов, гербицидов и дефолиантов, которых  в мире сейчас производится более  2 млн тонн ежегодно.