Экологические проблемы человечества
Эволюция биосферы
Биосфера – оболочка Земли, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов. Понятие «биосферы как области жизни» восходит к Ламарку. Термин «биосфера» введен австрийским геологом Зюссом (1875 г.) для обозначения оболочки Земли, населенной совокупностью живых организмов. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому.
Биосфера включает нижние слои атмосферы (до озонового слоя, 20-25 км), часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница биосферы опускается в среднем на 2-3 км под поверхностью суши и на 1-2 км под дно океана. Биосфера состоит из двух взаимодействующих компонент – живых организмов и среды их обитания.
Основные положения теории В.И.Вернадского:
• Принцип целостности биосферы; «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы»;
• Принцип гармонии биосферы и ее организованности; в биосфере «все учитывается и все организовывается с той же точностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях светил и начинаем видеть в системах атомов веществ и атомов энергии»;
• Ведущая роль живого в формировании облика Земли как небесного тела;
• Космическая роль биосферы в трансформации энергии; «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли».
Вернадский выделил семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:
• живое вещество;
• биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и др., т.е. вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами);
• косное вещество (образуется в процессах, в которых живые организмы не участвуют);
• биокосное вещество (создается одновременно живыми организмами и в ходе процессов неорганической природы, например почвы);
• радиоактивное вещество;
• рассеянные атомы;
• вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).
Центральное место в концепции биосферы занимает живое вещество – совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих. Живое вещество связано с окружающей средой обменом веществ - биогенным током атомов. Живое вещество распределено в биосфере крайне неравномерно. Максимум приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика масса тропических лесов) и гидросферы (до 200 м глубины). Более 90% всего живого вещества приходится на наземную растительность. Общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 1.8-3.5 1018 г (в пересчете на сухое вещество) и составляет лишь незначительную часть биосферы (3 1024 г). Тем не менее, живое вещество считается наиболее мощным геохимическим и энергетическим фактором, ведущей силой планетарного развития.
Элементарными ячейками биосферы служат биогеоцинозы, образованные биоценозами (сообществами животных, растений, микроорганизмов) в совокупности со средой обитания, причем живое вещество служит системообразующим фактором, связывающим биосферу в единое целое. В биогеоценозах происходит непрерывный процесс обмена веществом и энергией, обусловленный питанием, дыханием и размножением организмов и связанными с ними процессами создания, накопления и распада органических веществ. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строящие их тела, и возвращают из после смерти и в процессе жизни в ту же самую среду. Происходит циклическая миграция атомов химических элементов – биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов многократно проходят через живое вещество (весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 200 лет, углекислый газ – за 200-300 лет, вода – за 2 млн лет). Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементовс переменной валентностью (Fe, S, P, Cr и т.д.), создаются их новые соединения, в том числе почвы и органоминеральное топливо.
Многообразие живых систем – основа организации и устойчивости биосферы, каждый биологический вид выполняет свою функцию в биосферном циркулировании вещества и энергии, в обмене информацией и осуществлении обратных связей. Высокая степень согласованности всех видов жизни в биосфере – результат коэволюции, т.е. единой эволюции взаимодействующих биосистем, и интеграции, т.е. усиления взаимодействия и взаимозависимости живого и неживого. Считается, что за все время существования Земли существовало около 500 млн видов живых организмов (в настоящее время – около 1.2 млн видов животных и 0.5 млн видов растений), минеральных же видов неживой материи, составляющих косное вещество – лишь около 10 тыс видов. Совокупность живых организмов выступает как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни планеты и действующий на протяжении длительного времени. Существование жизни на Земле коренным образом изменило облик нашей планеты и его составляющие – ландшафт, климат, состав атмосферы и т.д.
Биосфера, возникнув практически одновременно с Землей, непрерывно эволюционирует, что позволяет определить место биосферы как особого уровня организации живой материи. Эволюция биосферы представляет собой процесс самоорганизации в открытой неравновесной системе планетарного масштаба. Источником упорядоченности в биосфере является отрицательный энтропийный баланс при непрерывном обмене энергией с окружением. Биосфера возникла и развивается за счет негэнтропии солнечного излучения.
Естественные факторы глобальных воздействий на биосферу:
• Малые астрономические факторы (изменение земной орбиты и наклона земной оси) являются источником значительных периодических перестроек в климате планеты, а вместе с тем - и биосферы. Эти глобальные процессы имеют периоды в сотни и десятки тысяч лет.
• Изменение геомагнитного поля Земли, в том числе возмущение в результате вспышек на Солнце (оказывает влияние на самочувствие и здоровье людей);
• Естественные ионизирующие факторы: солнечный ветер. Потоки космических частиц воздействуют на биосферу и на ее биологические компоненты и имеют характерную временную периодичность, называемую космическими циклами. Циклы, связанные с солнечной активностью, длятся примерно 11 лет. Влияние солнечной активности на биосферу Земли носит название солнечно-земных связей (А.Л.Чижевский). Существуют радиоактивные провинции, характеризующиеся повышенным радиационным фоном (торфяники болотистой Хибинской тундры).
• Стихийные бедствия – ураганы, землетрясения, цунами, засухи, снегопады и т.д. Ежегодный ущерб от них оценивается в 30 млрд долларов, ежегодное число человеческих жертв в мире – 250 тыс человек.
Появление человека разумного качественным образом изменило биосферу. Постепенно происходит переход от простого биологического приспособления к целенаправленному изменению окружающей природы. Живое вещество, преобразуя косное, создает биосферу. Аналогично человек, преобразуя биосферу, создает техносферу.Все биоценозы лишь поддерживаю системную целостность путем обмена веществом и энергией, а человек, помимо этих функций, производит овеществление природы, создавая новые искусственные предметы.
Техносфера.
Человек принципиально отличается от других живых существ способностью целенаправленно преобразовывать окружающую среду, создавая, создавая в дополнение к естественной среде обитания (геосфере и биосфере) искусственную среду обитания. Масштабы преобразующей деятельности человека огромны и ее темпы постоянно увеличиваются. В наши дни т.н. техномасса (все, созданное человеком за год) уже на порядок превышает биомассу (вес диких живых организмов). Это тревожный сигнал, требующий повышенного внимания к балансу составляющих системы «природа-биосфера-человек».
Уровень воздействия человека на окружающую среду зависит в первую очередь от технической вооруженности общества. Она была крайне мала на начальных этапах развития человечества, однако с развитием человечества ситуация изменилась кардинальным образом, что поставило перед человечеством целый ряд новых, чрезвычайно острых проблем. Техника все меньше остается вспомогательной силой для человека, все больше проявляется ее автономность. Сейчас мы уже можем говорить о техновеществе как совокупности всех существующих технических устройств и систем (техноцинозов). В состав техновнщества включают:
• Технические устройства, добывающие полезные ископаемые и вырабатывающие энергию;
• Технический блок по переработке полученного сырья и производству средств производства;
• Техника, производящая средства потребления;
• Технические предметы по передаче, использованию и хранению информации;
• Автономные многофункциональные системы (роботы, автономные межпланетные станции и др.);
• Техносистемы по переработке и утилизации отходов.
Таким образом, структура техновещества все больше воспроизводит аналогичную организацию природных живых систем.
По масштабам своего воздействия на планету техновещество в состоянии спорить с живым веществом. В результате преобразований человеком естественной среды обитания можно говорить о реальном существовании нового ее состояния – о техносфере.Техносфера представляет собой совокупность технических устройств и систем вместе с технической деятельностью человека. Техносфера включает в себя техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу, а в последнее время – и околоземный космос.
Роль техносферы в жизни современного общества очень велика, быстро возрастает и по некоторым прогнозам приобретает определяющий характер. Техносфера все больше преобразует природу, изменяя прежние и создавая новые ландшафты, активно влияя на другие сферы и оболочки Земли, причем не всегда это влияние носит положительный характер.
Экологические проблемы человечества.
Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа - вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую природу.
Природа,несмотря на все ее бесконечное разнообразие, есть единое целое.Поэтому в настоящее время в науке все больше распространяется холистический подход (целостный). В природе невозможно воздействовать на отдельную живую систему, не повлияв одновременно на другие составляющие биосферы. Результаты ответной реакции непредсказуемы, они плохо поддаются прогнозированию:
• человек распахивает землю – смывается плодородный слой почвы;
• вырубаются леса под сельхозугодья – почва лишается влаги и становится бесплодной;
• уничтожаются хищники – снижается сопротивляемость травоядных и ухудшается их генофонд.
Игнорирование человеком диалектического характера природы приводит к отрицательным последствиям как для природы, так и для человека. Ф.Энгельс: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь, те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и в третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые часто уничтожают последствия первых».
Отрицательным как для природы, так и для общества становится бесцеремонное вмешательство человека в окружающую среду в наши дни, т.к. последствия его из-за высокого уровня развития техники зачастую носят глобальный характер и порождают глобальные экологические проблемы.
Термин «экология», впервые употребленный немецким биологом Геккелем в 1886 г., обозначает науку о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. Однако, говоря сейчас о проблемах экологии, мы фактически имеем в виду науку, изучающую проблемы человеческого общества и окружающей среды.
Первая конференция ООН по проблемам окружающей среды состоялся в 1072 г. и с тех пор термин «экология» прочно вошел в нашу жизнь. Главная задача экологии - исследование закономерностей, связанных и воспроизводством, гибелью и миграцией живых организмов, и выработка методов управления этими процессами в условиях возрастающего влияния человека на окружающую среду. Экология стала теоретической базой охраны природы. Базовой моделью экологии является экосистема – единый природный комплекс, образованный относительно однородными по составу живыми организмам (растительность, животные, микроорганизмы и т.д.) и средой их обитания (почвы, горные породы, водная среда, климат, влажность и т.д.).
Сегодня экологическую ситуацию в мире можно считать критической. Налицо уже не локальные, а глобальные экологические проблемы:
• Уничтожены и продолжают уничтожаться тысячи видов растений и животных;
• В значительной мере истреблен лесной покров;
• Мировой океан загрязняется и перестает быть регулятором природных процессов;
• Атмосфера во многих местах загрязнена до предельно допустимых норм, чистый воздух становится дефицитом;
• На Земле практически не осталось места, где бы не находилось искусственно созданных человеком элементов.
С началом космических полетов проблемы экологии переместились в открытое космическое пространство. Неутилизированные отходы накапливаются в космосе, что становится все более острой проблемой. На Луне американские астронавты обнаружили многочисленные обломки искусственных спутников земли. Не решен вопрос о влиянии космических полетов на появление озоновых дыр в атмосфере Земли.
Катастрофические результаты влияния человека на природу впервые были восприняты через список истребленных человеком видов растений и животных- только за исторически обозримое время более 100 видов крупных млекопитающих и примерно столько же видов птиц. Среди них – дронт (о.Маврикий в Индийском океане), Стеллерова корова (побережье тихого океана) и др. Уже в палеолите древний человек начал оказывать влияние на численность животных. Не без его участия исчезли лесные слоны и носороги, позднее та же участь постигла мамонта, шерстистого носорога, гигантского оленя.
Не менее разрушительной оказалась деятельность человека по отношению к растительности. С давних пор во всех странах мира шла неумеренная вырубка лесов, сначала для развития сельского хозяйства, а потом – ради древесины. За последние 100 лет флора Франции потеряла по крайней мере 20 видов растений. На острове св. Елены поселившиеся в XVI веке европейцы уничтожили покрывающий остров густой лес, и к концу XIX века из местной флоры сохранилось лишь 79 видов, а занесено было культурных и сорных растений – 970 видов.
Существенное значение в нарушении биотических связей водных животных и растений играют гидротехнические сооружения.
Таким образом, антропогенные изменения ведут к обеднению видового состава и упрощению биоценотических связей; упрощение же почти всегда связано со снижением устойчивости систем к внешним воздействиям.
Происходит загрязнение окружающей среды вредными газовыми выбросами, сточными промышленными водами, отходами сельскохозяйственных предприятий, бытовыми отходами. Промышленностью и транспортом выводится в атмосферу много вредных веществ. По прогнозам ученых в 2070 году концентрация атмосферного углекислого газа может повыситься в 2 раза, что приведет к повышению средней температуры нижнего слоя воздуха на 2.5 градуса и глобальному потеплению климата.
Большой вред биосфере приносят разного рода отходы, городской и бытовой мусор. Если его распределить по земной поверхности , то мусор покроет ее в течение 15 лет слоем 5 метров.
Осуществляется также и сознательное загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых и сорняков, что явно нарушает равновесие биоценозов. Живое вещество активно приспосабливается к новым условиям существования в присутствии человека.Так, многократно возросла устойчивость и невосприимчивость многих насекомых и грызунов к ядам и пестицидам. Появились мутировавшие виды, приспособленные к техногенной и загрязненной среде обитания.
Антропогенное загрязнение окружающей среды можно сгруппировать по следующим категориям:
инградиентное – внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биоценозам;
параметрическое – связанное с изменением физических параметров окружающей среды;
биоценотическое – заключается в воздействии на состав и структуру популяции живых организмов, составляющих биоценоз;
стациально-деструктивное – изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.
В последние столетие резко увеличилась и продолжает возрастать численность населения Земли. По отношению к своей популяции человек нарушил важный принцип равновесия «пищевой пирамиды» - в природных системах на высоких звеньях пищевых цепочек не бывает большой биомассы и численности организмов. Это нарушение стало возможным за счет развития сельского хозяйства (и соответствующего увеличения численности отдельных сортов и пород), а также вложению дополнительной энергии (например, при внесении удобрений). Нарушение принципа равновесия неизбежно вызывает изменение в круговороте веществ, накопление отходов и загрязнение окружающей среды.
Кроме того, созданное человеком, как правило, не способствует созданию новых запасов энергии. Бесконечное же потребление полезных ископаемых и живого вещества ставит на грань катастрофы само существование не только разумной жизни, но и жизни как таковой. Современное человечество использует не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники (атомные). Некоторые антропогенные процессы при этом направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (например, освобождение законсервированного углерода и его окисление). В конечном итоге это приводит к экологическим кризисам в биосфере.
Антропогенное воздействие на природу – прямое осознанное или косвенное неосознанное воздействие человека и результатов его деятельности, вызывающее изменение природной среды и естественных ландшафтов:
• Изменение структуры земной поверхности;
• Изменение состава биосферы, круговорота и баланса входящего в нее вещества;
• Изменение энергетического и теплового баланса;
• Изменения, вносимые в биоту.
В современных условиях антропогенное воздействие достигло таких масштабов, что привело к глобальному экологическому кризису, т.е. к такому изменению среды обитания, которое делает проблематичным дальнейшее выживание человека и других биологических видов. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты токсикантами и так называемые озоновые дыры.
Современный кризис часто называют «кризисом редуцентов», поскольку природные редуценты уже не успевают очищать биосферу от антропогенных отходов или принципиально не способны это сделать в силу чуждого природе характера синтетических отходов. (Существуют три трофических уровня: 1) продуценты — растения; 2) консументы первичные (растительноядные животные) и вторичные (плотоядные); 3) сапротрофы-редуценты, разрушающие органическое вещество). Иначе говоря, биосфера потеряла способность к самовосстановлению. Необходимо отметить, что наблюдается не только усиление действия человека на окружающую среду, но и возрастание ответной реакции – усиление различных природных катастроф, а также усиление коллизий социального характера.