БИОСФЕРА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СТРУКТУРА И ЭВОЛЮЦИЯ
Цель - изучить учение В.И.Вернадского о биосфере, структуре и
границах биосферы. Изучить живое вещество биосферы и его эволюцию.
1. Определение и структура биосферы
Согласно современным представлениям, биосфера - это
своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых
организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в
непрерывном обмене с этими организмами.
По физическим природным условиям биосфера может быть
подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу.
Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси
различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется
обмен веществ Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и
метеоритный материал теряет самые легкие газы: водород и гелий.
Атмосфера земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца,
определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей
диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.
Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу,
экзосферу. Обширная область разряженной верхней атмосферы состоит
преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера.
Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-
кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии
присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило,
называются аэрозолями. Принято выделять постоянные и переменные
компоненты атмосферы в зависимости от длительности их пребывания в
атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в
разных формах и концентрациях. В то же время такое подразделение
составных частей атмосферы является относительным, так как в течение
длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются
переменными.
Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород,
аргон и углекислый газ.
Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон. Его
образование и разложение связаны с поглощением ультрафиолетовой
радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для
образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые
возникают при разложении молекул кислорода под воздействием квантов
излучения в ультрафиолетовой области.
Озон образуется при столкновении:
О + О2 =Оз
В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию,
разлагаясь на молекулярный и атомный кислород. Основная масса озона
располагается на высотах 10-25 км с максимальной концентрацией на
высотах 22-24 км. Озоновый слой (часто применяют термин "озоновый
жран") имеет исключительно важное значение в сохранности жизни на
Земле.
Гидросфера - совокупность всех вод Земли: материковых
(глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных.
Как особая водная оболочка Земли, здесь рассматриваются воды,
находящиеся на поверхности планеты - материковые и океанические.
Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в
различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков
в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в
замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде
мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши.
Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя
подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в
связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве
естественных растворов разной степени концентрации.
Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой
(подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом
биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.
Подавляющая часть массы природных вод (94 %) - это воды
Мирового океана, представляющего собой уникальную природную
систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена и трансформация
энергии и вещества нашей планеты. Различные физические, химические и
биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана -
древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана
протекало изменение его природы под воздействием различных
природных процессов: солнечного излучения, геологических и
геохимических факторов и, что весьма важно, под влиянием
биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и
проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии
и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в
биологической продуктивности и осадкообразования на всей площади дна
Мирового океана, в формировании различного рода органических илов.
Литосфера - верхняя "твердая" оболочка Земли, постепенно
переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества.
Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы -
50-100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км под
дном океана.
Химический состав земной коры определяют немногие элементы.
Всего лишь восемь элементов - кислород, кремний, алюминий, железо,
кальций, магний, натрий и калий слагают основную ее массу. Ведущим и
наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий
едва ли не половину массы земной коры (47,3 %) и 92 % ее объема. Он
прочно связан химически с другими элементами в главных
породообразующих минералах. Земная кора сложена горными породами
различного типа и различного происхождения. На осадочные породы
приходится 9,2 %, на метаморфические - 20 % и на магматические - 70,8 %.
Поверхность континентов на 80 % занята породами осадочными, а
океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами
сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная
кора первоначально возникла" как продукт выплавления материала
первичной мантии, который в дальнейшем был существенно переработан в
биосфере под влиянием воздуха, воды и деятельности организмов.
Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической
истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что
наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность
осадочных горных пород, и сосредоточенных в них месторождений
полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и
карбонатных пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью
организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое
и косвенное отношение к биосфере.
Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем
существования жизни (В.И.Вернадский, 1926). Всю совокупность
организмов на планете В.И.Вернадский назвал живым веществом,
рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу,
химический состав и энергию.
Косное вещество, по В.И.Вернадскому, совокупность тех веществ в
биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью,
совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной
потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть).
После образования биогенного вещества живые организмы в нем
малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество. В.И.Вернадский
(1926) писал, что оно "создается в биосфере одновременно живыми
организмами и косными процессами, представляя системы динамического
равновесия тех и других". Организмы в биокосном веществе играют
ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва,
кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от
деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та
область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на
Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий
живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все
химические элементы таблицы Менделеева.
2. Живое вещество биосферы
Длительное время считалось, что живое отличается от неживого
такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражимость,
рост, размножение, приспособляемость. Однако порознь все эти свойства
встречаются и среди неживой природы, а, следовательно, не могут
рассматриваться как специфические свойства живого.
Особенности живого Б.М.Медников (1982) сформулировал в виде
аксиом теоретической биологии:
1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и
программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из
поколения в поколение (аксиома А.Вейсмана).
2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве
матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген
предшествующего поколения (аксиома Н.К.Кольцова).
3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические
программы в результате различных причин изменяются случайно и не
направлено, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в
данной среде (1-я аксиома Ч.Дарвина).
4. Случайные изменения генетических программ при становлении
фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В.Тимофеева-Ресовского).
5. Многократно усиленные изменения генетических программ
подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч.Дарвина).
Из данных аксиом можно вывести все основные свойства живой
природы и в первую очередь такие, как дискретность и целостность - два
фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Среди живых
систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Эта уникальность
проявления дискретности и целостности основана на явлении
конвариантной редупликации.
Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями)
осуществляется на основе матричного принципа (сумма трех первых
аксиом). Это, вероятно, единственное специфическое для жизни, в
известной для нас форме ее существование на Земле, свойство. В основе
его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных
управляющих систем (ДНК, хромосом, генов).
Редупликация определяется матричным принципом (аксиома
Н.К.Кольцова) синтеза макромолекул.
Способность к самовоспроизведению по матричному принципу,
молекулы ДНК смогли выполнить роль носителя наследственности
исходных управляющих систем (аксиома А.Вейсмана). Конвариантная
редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных
отклонений от исходного состояния (мутаций), предпосылки эволюции
жизни.
Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по
сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным
оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно
2420 млрд. тонн. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли,
в той или иной степени охваченных биосферой.
По своему активному воздействию на окружающую среду живое
вещество занимает особое место и качественно отличается от других
оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой
В.И.Вернадский подчеркивал, что живое вещество - самая активная
форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую
работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за
время своего существования. Все живое вещество нашей планеты
составляет 1/11000000 часть массы всей земной коры. В качественном же
отношении живое вещество представляет собой наиболее организованную
часть материи Земли.
При оценке среднего химического состава живого вещества, по
данным А.П.Виноградова (1975), В.Лархера (1978) и др., главные
составные части - это элементы, широко распространенные в природе
(атмосфера, гидросфера, космос) - водород, углерод, кислород, азот,
фосфор и сера.
Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее
распространенных в космосе атомов.
Средний элементарный состав живого вещества отличается от
состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию
других элементов живые организмы не повторяют состава среды своего
обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для
построения их тканей. В процессе жизнедеятельности организмы
используют наиболее доступные атомы, способные к образованию
устойчивых химических связей. Как уже отмечалось, водород, углерод,
кислород, азот, фосфор и сера являются главными химическими
элементами земного вещества и их называют биофильными. Их атомы
создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и
минеральными солями. Эти молекулярные образования представлены
углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами.
Перечисленные виды живого вещества находятся в организмах в тесном
взаимодействии. Окружающий нас мир живых организмов биосферы
представляет собой сочетание различных биологических систем разной
структурной упорядоченности и разного организационного уровня. В связи
с этим выделяют разные уровни существования живого вещества:
1. Молекулярный - самый низкий уровень, на котором биологическая
система проявляется в виде функционирования биологически активных
крупных молекул - белков, липидов, нуклеиновых кислот, углеводов. С
этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для
I иной материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой
и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и
РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.
2. Клеточный - уровень, на котором биологически активные
молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной
организации все организмы подразделяются на одноклеточные и
многоклеточные.
3. Тканевый - уровень, на котором сочетание однородных клеток
образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных
общностью происхождения и функций.
4. Органный - уровень, на котором несколько типов тканей
функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.
5. Организменный - уровень, на котором взаимодействие ряда
органов сводится в единую систему индивидуального организма и
представлен определенными видами организмов.
6. Популяционно-видовой, где существует совокупность
определенных однородных организмов, связанных единством
происхождения, образом жизни и местом обитания. Нас этом уровне
происходят элементарные эволюционные изменения в целом.
7. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) - более высокий уровень
организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу
организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на
определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими
факторами.
8. Биосферный - уровень, на котором сформировались природная
система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в
пределах нашей планеты. На этом уровне осуществляются все глобальные
круговороты веществ и энергии, связанные с жизнедеятельностью
организмов.
По способу питания живые организмы подразделяются на:
автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофными (от греческого "авто" - сам, "троф" - кормиться,
питаться) называют организмы, берущие необходимые им для жизни
химические элементы из окружающей их косной материи и не требующие
для построения своего тела готовых органических соединений другого
организма. Основной источник энергии, используемый автотрофами, -
Солнце.
Автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы м и хемоавтотрофы.
Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет,
хемоавтотрофы используют энергию окисления неорганических веществ.
К автотрофным организмам относятся водоросли, наземные зеленые
растения, бактерии, способные к фотосинтезу, а также некоторые
бактерии, способные окислять неорганические вещества (хемоавтотрофы).
Автотрофы являются первичными продуцентами органического вещества
в биосфере.
Гетеротрофы (от греческого "гетер" - другой) - организмы,
нуждающиеся для своего питания в органическом веществе, образованном
другими организмами. Гетеротрофы способны разлагать все вещества,
образуемые автотрофами, и многие из тех, что синтезирует человек.
Живое вещество устойчиво только в живых организмах, оно
стремится заполнить собой все возможное пространство. "Давлением
жизни" называл данное явление В.И.Вернадский.
На Земле из существующих живых организмов наибольшей силой
размножения обладает гриб-дождевик гигантский. Каждый экземпляр
данного гриба может дать до 7,5 млрд. спор. Если каждая спора послужила
бы началом новому организму, то объем дождевиков уже во втором
поколении в 800 раз превысил размеры нашей планеты.
Таким образом, наиболее общее и специфическое свойство живого -
способность к самовоспроизведению, конвариантной редупликации на
основе матричного принципа. Эта способность вместе с другими
особенностями живых организмов и определяет существование основных
уровней организации живого. Все уровни организации жизни находятся в
сложном взаимодействии как части единого целого. На каждом уровне
действуют свои закономерности, определяющие особенности эволюции
вcex форм организации живого. Способность к эволюции выступает как
атрибут жизни, непосредственно вытекающий из уникальной способности
живого к самовоспроизведению дискретных биологических единиц.
Специфические свойства жизни обеспечивают не только воспроизведение
себе подобных (наследственности), но и необходимые для эволюции
изменения самовоспроизводящих структур (изменчивость).
3. Эволюция биосферы
Преобиотическая (химическая) эволюция. Ученые считают, что
возраст нашей Галактики 10-12 млрд. лет, Солнца - 5. Земли - около 4,5
млдр лет.
Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и
легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия,
рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение
температуры в результате сильного излучения тепла привело к
образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу,
но в то же время поставлял большие количества газов, из которых
образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н2 было много других
газов, таких, как CHt, Нз и №0.
Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан,
состоящий из жидкой воды. Углекислоты (Н2СО3) было мало, так как ее
восстанавливали соединения железа, содержащиеся в земной коре.
Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановленной, имелись
возможности для процессов абиогенного образования и накопления
многих соединений. По мере возрастающей потери Н2 в космическом
пространстве создавалась третичная атмосфера, содержащая большие
количества азота (из аммиака), СО2 (из вулканических газов и из CH4) и
паров воды.
В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем
разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей
Солнца.
Появление около 3,5 млрд. лет назад хлорофиллоносных организмов,
способных осуществлять фотосинтез, т.е. использовать экзогенный
источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа,
воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых
для жизни. Эти организмы оказались способны преобразовывать
солнечную энергию в биохимическую.
"Изобретение" фотосинтеза способствовало повышению содержания
кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной
атмосферы.
На восстановленную вторичную атмосферу воздействовали большие
потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение,
ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем),
электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники
тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный
химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через
такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан,
формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и
полимеры. Ввиду того, что окисление не происходило, водоемы
обогащались такими соединениями, как аминокислоты, пуриновые и
пиримидиновые основания, сахара, карбоновые кислоты, липиды.
Образовался "первичный бульон". Происходили процессы осаждения,
разделения и адсорбции, а на поверхности минерала (глина, горячая лава) -
дальнейшие синтетические процессы. Это подтверждается результатами
анализа древних земных химических ископаемых и их сравнение с
внеземным органическим веществом (метеориты), а также
многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в
смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке
энергии действительно происходят процессы синтеза органических
веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически
важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины,
сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины. Удалось создать
и модели абиотического образования биополимеров, например,
полипептидов с длинной цепью - протеиноидов, имеющих форму шариков
диаметром около 1 мкм (микросфер). Здесь можно усмотреть намеки на
такой сложный процесс, как абиотическое образование нуклеиновых
кислот, на их примитивную абиотическую репликацию, происходящую без
участия ДНК-полимеразы.
Вероятно, очень рано начались и взаимодействия между
протеиноидами и нуклеиновыми кислотами. При этом, например, Эйген
(1971) считает, что, с одной стороны, подходящий протеиноид
способствовал более быстрому и правильному размножению молекул
нуклеиновой кислоты, а с другой - нуклеиновая кислота начинала
кодировать преимущественно подходящие для нее белки. Начинался
самообучающийся каталитический циклический процесс, который в
конкуренции за строительные блоки, в отборе на быстроту и точность
репродукции приобретал все большие преимущества. Следовательно,
белки и нуклеиновые кислоты нужны были одновременно. В этот период,
носящий название пребиотической (химической) эволюции, уже действовал
дарвиновский принцип отбора как оптимизирующий процесс.
Биотическая эволюция. В конце абиотической эволюции
появились примитивные организмы - протобионты. Протобионты
представляли собой организованные, отграниченные от окружающей
среды, обособленные системы молекул, способные к репликации и
трансляционному синтезу белка (генетическая гипотеза). Органические
строительные блоки (абиотического происхождения) они получали из
"первичного бульона", так что вначале им не нужны были ферменты для
построения этих блоков. Около 4 млрд. лет назад уже определенно
имелись разные типы протобионтов.
 |
По мере того, как биологические явления начинали преобладать над
пребиотическими, "первичный бульон" становился все беднее
органическими веществами.
В этих условиях селективным преимуществом для протобионтов
стало обладание плазматической мембраной, защищающей от потери этих
веществ путем диффузии, и способность избирательно их накапливать,
например, посредством переноса неорганического фосфата на
нуклеизоддифосфат.
Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов
(капля или слой с большей концентрацией коллоида, чем в остальной
части раствора), образующихся в воде при соприкосновении двух слабо
взаимодействующих полимеров, или при адсорбции полимеров на
поверхности глин (рис. 7).
Поглощение веществ привело к росту, а затем и делению, при этом
выживали те продукты деления, которым доставался полный набор
нуклеиновых кислот и белков. Селективное преимущество доставляли
объединение отдельных геномов в единый геном, появление специальных
механизмов разделения и перетяжки. Такое образование, снабженное все
более расширявшимся набором ферментов, называют протобионтом
(синоним понятия "эобионт"). Возможные остатки протобионтов -
шаровидные образования - встречаются в отложениях Онфервахт в Южной
Америке (возраст около 3,4 млрд. лет), известковые отложения
(строматолиты) возрастом 2,7 -3,1 млрд. лет, найденные в Родезии,
образованные, по мнению ученых, прокариотами, напоминающими сине-
зеленые водоросли.
С обеднением первичного бульона давление отбора стало
благоприятствовать формам, способным к самостоятельному синтезу
жизненно важных веществ. Основным способом получения энергии,
несомненно, являлась первичная гетеротрофия. У более высоко развитых
протобионтов уже имелись различные процессы брожения. Примеры
аналогичных процессов мы находим и у современных микроорганизмов.
Третичная атмосфера, в которой количество СО2 продолжало возрастать (в
том числе и благодаря брожению), позволяла частично покрывать
потребность в углероде за счет ассимиляции СО2. Вырабатываются и
биотические пути синтеза аминокислот, которые уже отсутствуют в
первичном бульоне. Процессы анаэробного дыхания как способ получения
энергии явились шагом вперед по сравнению с брожением. Источником
кислорода, которого еще не было в атмосфере, служили сульфаты,
нитриты, нитраты и т.д. Сформировался механизм переноса электронов по
цепи дыхания. Необходимые для этого порфирины (цитохромы) могли
синтезироваться синтетическим путем. Вторым, эволюционно самым
важным, путем получения энергии стало использование света (фотоэргия).
Первым шагом на этом пути была, по всей видимости, простая
фотохимическая реакция. Вторым, более эффективным шагом было
циклическое фотофосфорилирование, а третьим - нециклическое
фосфорилирование, позволившее восстанавливать СО2 и строить
органическое вещество. Организм, овладевший фотосинтезом, стал
автотрофным. Необходимый для фотосинтеза хлорофилл мог
образовываться абиотическим путем и затем включаться в богатые
липидами мембраны. Фотосинтез привел к активному образованию
органического вещества и свободного кислорода. На основе синтеза
органического вещества смог возникнуть круговорот веществ между
автотрофными и зависящими от них гетеротрофными организмами.
Наличие кислорода явилось предпосылкой для развития аэробного
хемосинтеза и эволюционно самого молодого из процессов получения
энергии - дыхания. Возникла вторичная гетеротрофия, в которой
процессы брожения заменены дыханием. На протяжении 2,8-1,8 млрд. лет
кислорода в атмосфере все еще было, меньше 1 %.
Эволюция прокариот. На уровне протобионтов уже были заложены
основы для эволюции линий прокариот (бактерии и сине-зеленые
водоросли) и эукариот (зеленые растения и все остальные водоросли),
развившиеся, вероятнее всего, из одной группы протобионтов (монофилия
современных живых организмов). Это подтверждают многочисленные
общие черты: единство носителя генетической информации, генетического
кода, основ обмена веществ и т.д. Вместе с тем современные прокариоты
определенно не являются предками эукариот. Уровень прокариот был
достигнут более 3 млрд. лет назад. К основным особенностям этого типа
относятся:
- усовершенствование механизма размножения и генетического кода;
- разделение процессов репликации и транскрипции генов;
- образование кольцевого генома из обособленных вначале генных
молекул;
- построение ферментных систем для синтеза АТФ;
- активный транспорт веществ и выработка механизмов
собственного синтеза аминокислот, нуклеотидов, углеводов, липидов и др.
К прокариотам относятся грамположительные и грамотрицательные
бактерии и сине-зеленые водоросли, называемые зачастую
цианобактериями.
Эволюция эукариот. Эта линия, вероятно, отделилась от высоко
развитых протобионтов сравнительно рано, параллельно с развитием
прокариот. Древнейшие остатки найдены в породах возрастом 1,4-2 млрд.
лет. Переход к клеткам с хромосомами в отграниченном от цитоплазмы
клеточном ядре, с митохондриями и хлоропластами, к половому
размножению с диплоидией и рекомбинацией расширил эволюционные
возможности и стал предпосылкой для многоклеточности и
дифференциации.
Среди одноклеточных эукариот (протистов) есть и авто- и
гетеротрофные группы, что является следствием раннего расхождения
путей развития. Считается, что начальным пунктом их эволюции были
жгутиковые (флагелляты). Для гетеротрофных простейших (протозол)
исходными могли быть и амебоидные формы.
Таким образом, в органическом мире Земли можно выделить
несколько крупных групп существ, имеющих общее происхождение,
доказываемое наличием фундаментальных черт сходства в строении
представителей. К таким чертам относятся: конвариантная редупликация,
обмен веществ, способность к росту и развитию (онтогенез), общность
механизмов реализации наследственной информации от гена до признака.
Темы для обсуждения
1. Что понимают под "биосферой". Кто автор термина и науки
"Биосфера". Где проходят границы биосферы?
2. Сущность учения В.И.Вернадского о биосфере? Какое
значение имеет учение о биосфере для понимания и решения современных
экологических проблем.
3. Назовите и раскройте основные свойства живого вещества.
Сравните их с неживым веществом (косным).
4. Раскройте содержание основных функций живого вещества.
Каково их значение в процессах планетарного масштаба.
5. Сформулируйте содержание и раскройте сущность закона
биогенной миграции атомов В.И.Вернадского.
6. Каково содержание основных свойств биосферы. Как они
связаны с живым веществом?
7. Что является основным условием устойчивости биосферы и
других экологических систем?
8. Приведите примеры саморегулирующей способности
биосферы.
9. Почему биосфера потенциально бессмертна в энергетическом
и вещественном отношении?
10. Что является центральным звеном биосферы?
Темы докладов
1. Биосфера как глобальная экосистема.
2. Учение В.И.Вернадского о биосфере.
3. Живое вещество, его свойства и функции в биосфере.
4. Эволюция биосферы.
5. Загрязнение биосферы и изменения в онтогенезе организмов.
СЕМИНАР 7
ОСНОВНЫЕ СОВРЕМЕННЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И
ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Цель - ознакомиться с экологическими проблемами на современном
этапе и иметь представление о возможных путях решения этих проблем.
1. Основные современные экологические проблемы
Хозяйственная деятельность человека. Человечество является
частью биосферы, продуктом ее эволюции. Однако взаимоотношения
человека и природных сообществ можно назвать конфликтными. С
момента изготовления первого примитивного орудия человек уже не
довольствуется предметами, созданными природой, а начинает
изготовлять, вводить в свой обиход предметы, вещества и т.д., которые
находятся за пределами естественного биологического круговорота.
Возникновение цивилизации есть следствие возникновения сферы
надбиологических потребностей и материальных технологий. Охотничья
деятельность древнего человека, несомненно, ускорила вымирание многих
крупных травоядных животных. В охотничьих целях поджигание
растительности способствовало опустыниванию территорий. Вместе с тем
воздействие племен охотников и собирателей на сообщества обычно не
было значительным. Человек начал менять и разрушать целые сообщества
с переходом к скотоводству и земледелию. При росте человеческой
популяции численность домашних копытных превышает емкость среды,
потребляемая ими степная растительность, уже не успевает
возобновляться. Степь или саванна сменяются полупустыней, Из-за такого
воздействия скотоводства произошло увеличение площади Сахары и
соседней полупустынной зоны - Сахеля.
В ходе развития земледелия неправильная распашка приводила к
потере плодородного слоя, который уносился водой или ветром, а
избыточное орошение вызывало засоление почв.
Следует отметить, что биологический человек на предисторической
фазе развития отличался от всех других одинаковых по размеру
млекопитающих исключительной подвижностью, проходя в сутки обычно
вдвое большее расстояние, чем они. Люди жили в условиях
энергетической недостаточности, отсюда вынуждены были охранять
огромную кормовую территорию, в которой периодически или постоянно
кочевали. И, несмотря, на это они долгое время находились в рамках
весьма скромного энергетического лимита.
Переход к пастбищно-кочевому скотоводству и подсечно-огневому
земледелию привел к удвоению затрат и при замене собирательства
кочевым скотоводством малой экономией площадей. Подсечно-огнсвое
земледелие территориально эффективней на 2-3 порядка. Это позволило
снизить подвижность человека и в свою очередь создало предпосылки для
формирования общества со свойственным ему разделением функций,
культурной специализацией. И в то же время подсечно-огневое
земледелие, при котором участок леса выжигают, снимают несколько
урожаев и забрасывают, нередко приводило к замене лесов степями,
саваннами. Таким образом, уже в древности человек вызывал массовые
вымирания, нарушение сукцессионных рядов, замены одного сообщество
другим. Человечество, являясь неотъемлемой частью природы,
принадлежащей ей и находящейся внутри нее, благодаря развитию
общество биологический вид Гомо сапиенс был выведен из-под действия
естественного отбора, межвидовой конкуренции, ограничения роста
численности, расширило возможности приспособительного поведения и
расселения людей. Развитие технологий и достижений индустриализации
цивилизации создало стойкий миф о господстве человека над силами
природы.
За последние сто лет произошли два важных сдвига. Во-первых,
резко увеличилась численность населения Земли. Во-вторых, еще более
резко выросло промышленное производство, производство энергии и
продуктов сельского хозяйства. В результате, потоки вещества и энергии,
вызываемые деятельностью человека, стали составлять заметную долю от
общей величины биогенного круговорота. Человечество стало оказывать
заметное воздействие на функционирование всей биосферы. Критическую
ситуацию в конце XX столетия образуют следующие негативные
тенденции:
1. Потребление ресурсов Земли настолько превысило темпы их
естественного производства, что истощение природных богатств стало
оказывать заметное влияние на их использование, на национальную и
мировую экономику и привело к необратимому обеднению литосферы и
биосферы.
2. Отходы, побочные продукты производства и быта загрязняют
биосферу, вызывают деформации экологических систем, нарушают
глобальный круговорот веществ и создают угрозу для здоровья человека.
Если не будут приняты срочные меры, в ближайшие десятилетия
можно ожидать нарушения и гибели многих сообществ, ухудшение среды
обитания в целом.
Рост народонаселения. Отклонением от закономерностей
равновесия в живой природе стал ускоряющийся рост народонаселения
Земли. Число особей какого-либо вида, по биологическим законам, зависит
от потенциала размножения, продолжительности жизни, широты
приспособительных возможностей и регулируется естественным отбором -
совокупностью экологических факторов. Как правило, мелкие животные
более многочисленны, чем крупные. Для многих видов существуют в
определенной мере нормативные границы колебаний их наиболее
вероятной численности в природе. Отсюда считается, число особей одного
мила африканских четвертичный гоминид - предков человека - при
(благоприятных условиях, по всей вероятности, не превышало 500000 или
было намного меньшее. Сегодня трудно найти ответ, когда произошло
превышение этой "нормы". Первобытный человек сам расширил свои
приспособительные возможности и тем самым ослабил пресс
естественного отбора. Приблизительно до начала ХVIII века человечество
увеличивалось медленно, со средней скоростью около одного процента за
столетие, что соответствует удвоению численности за тысячу лет. В
дальнейшем скорость прироста начинает увеличиваться и к середине XX
столетия приобретает гиперэкспоненциальный характер. В 1969 году
население мира увеличивалось на 2 % в год, прирост составил около 70
млн. человек, или 150 человек в минуту. В 1989 году прирост в 1,8 % от
численности возросшего населения дал уже 90 млн. человек (179 человек в
минуту) или больше, чем когда-либо за всю предыдущую историю
человечества. В конце XX века каждое десятилетие добавляет к общей
численности еще 1 млрд. человек. В конце 1992 г. население Земли
составляло 5,6 млрд. человек, а к 2000 году достигнет 6,1 млрд. человек.
Этот стремительный рост называют демографическим взрывом.
Тенденция увеличения населения Земли, по всей видимости, будет
сохраняться и в первой половине XXI столетия. Т.А.Акимова, В.В. Хаскин
(1994) приводят данные о том, что по разным оценкам, к 2005 году на
Земле будет от 7,6 до 9,4 млрд. человек. Основная доля прироста
населения приходится и будет приходиться в будущем на развивающиеся
страны.
Рост народонаселения требует увеличения производства продуктов
питания, создания новых рабочих мест и расширения промышленного
производства. Так, в конце XX в. ежедневно требуется всем людям Земли
около 2 млн. тонн пищи, 10 млн. куб. м питьевой воды, 2 млрд. куб. м
кислорода для дыхания. Всеми отраслями человеческого хозяйства
ежедневно добывается почти 300 млн. тонн веществ и материалов,
сжигается около 30 млн. тонн топлива, используется 2 млрд. куб. м воды и
65 млрд. куб. м кислорода. Так как все это сопровождается расходованием
природных ресурсов и массированным загрязнением среды, то главной
причиной противоречий оказывается именно количественная экспансия
человеческого общества - высший уровень и быстрое нарастание
совокупной антропогенной нагрузки на природу, усиление его
разрушающего воздействия. Все это имеет очень серьезные не только
экологические, но и социально-биологические и экономические
последствия.
Изменение состава атмосферы и климата. Наиболее
разрушительно из воздействий деятельности человека на сообщества -
выделение загрязнителей. Напомним, что загрязнителем является любое
вещество, попадающее в атмосферу, почву или природные воды и
нарушающие идущие там биологические, иногда и физические или
химические процессы. К загрязнителям нередко относят радиоактивное
излучение и тепло. Загрязнение среды - одна из самых острых проблем.
Вследствие деятельности человека, в атмосферу поступает углекислый газ
С02 и угарный газ СО, диоксид серы, метан, оксиды азота. Основные
источники их поступления - это сжигание ископаемого топлива,
выжигания лесов и выбросы промышленных предприятий. При
использование аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды, в
результате работы транспорта - углеводороды (бензапирен и др.).
За счет газов антропогенного происхождения образуются кислотные
осадки и смог. Кислотные осадки - это серная и азотная кислоты,
образующиеся при растворении в воде диоксидов серы и азота и
выпадающие на поверхность Земли вместе с дождем, туманом, снегом или
пылью. Попадая в озера, кислотные осадки нередко вызывают гибель рыб
или всего животного населения. Они также могут вызывать повреждения
листвы, а часто гибель растений, ускорять коррозию металлов и
разрушение здания. Кислотные дожди большей частью наблюдаются в
районах с развитой промышленностью. Хотя капельки воды и быстро
удаляются из атмосферы, они все же распространяются на сотни
километров от производящих выбросы теплостанций, промышленных
предприятий и т.д.
В результате сложных химических реакций смеси газов (главным
образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах
автомобилей), протекающих в нижних слоях атмосферы под действием
солнечного света, образуются различные вещества, снижающие
видимость, которые получили название смога. Смог крайне вреден для
живых организмов. Одним из вредных компонентов смога является и озон.
В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация
(1*10-8) повышается в 10 и более раз. Озон здесь начинает оказывать
вредное воздействие на легкие и слизистые оболочки человека и на
растительность.
С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение
озонового слоя, который является защитным экраном от
ультрафиолетового излучения. Особенно быстро процесс разрушения
озонового слоя происходит над полюсами планеты, где появились так
называемые озоновые дыры. В 1987 году зарегистрирована
расширяющаяся год от года (темпы расширения - 4 % в год) - озоновая
дыра над Антарктидой (выходящая за контуры материка) и менее
значительное аналогичное образование в Арктике.
Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что может
снизиться поглощение губительного для живых организмов
ультрафиолетового излучения. Ученые считают, что основной причиной
истощения озонового слоя (экрана) является применение людьми
хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и
производстве в виде аэрозолей, дореагентов, пенообразователей,
растворителей и т.д. В 1990 году мировое производство
озоноразрушающих веществ составляло более 1300 тысяч тонн.
Хлорфторуглероды, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с
выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в
кислород. В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение
десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где в настоящее время
их содержание ежегодно увеличивается на 5 %. Предполагается, что
одной из причин истощения озонового слоя может быть и сведение лесов
как продуцентов кислорода на Земле.
Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекислого газа
и метана. Эти газы обусловливают "парниковый эффект".
Они пропускают солнечный свет, но частично задерживают тепловое
излучение, испускаемое поверхностью Земли. За последние 100 лет
концентрация в атмосфере углекислого газа выросла на 25 %, а метана - на
100 %. Это сопровождалось глобальным повышением температуры. Так, за
80-е гг. средняя температура воздуха в северном полушарии повысилась,
по сравнению с концом XIX столетия на 0,5-0,6°С. На Земле, по
прогнозам, средняя температура к 2000 году повысится на 1,2°С, а в
ближайшие 50 лет - на 2-5°С по сравнению с доиндустриальной эпохой.
Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и
повышению на 0,5 -1,5 м уровня Мирового океана, при этом окажутся
затопленными многие густонаселенные прибрежные районы. Однако при
общем увеличении количества осадков в центральных районах материков
климат может стать более засушливым. Например, в 80-90-х годах XX
столетия в Африке и Северной Америке участились катастрофические
засухи, которые связывают с глобальным потеплением.
На примере загрязнения атмосферы видно, что даже слабые
воздействия могут приводить к крупным неблагоприятным последствиям
для природных систем.
Загрязнение природных вод. Человечество практически полностью
зависит от поверхностных вод суши - рек и озер. Эта ничтожная часть
водных ресурсов (0,016 %) подвергается наиболее интенсивному
воздействию. Вода рек и озер покрывает потребности человечества в
питьевой воде, используется на орошение в сельском хозяйстве, в
промышленности, служит для охлаждения атомных и тепловых
электростанций. На все виды водопользования тратится 2200 куб. км воды
в год. Потребление воды постоянно растет, и одна из опасностей -
исчерпание ее запасов. К примеру, забор вода на орошение из рек Средней
Азии привел к обмелению Аральского моря, которое практически
перестало существовать. Со дна высохшего моря соль разносится ветром
на сотни километров, вызывая засоление почв. Не менее грозное явление -
загрязнение пресных водоемов. В 1991 году в Российской Федерации со
сточными водами было сброшено в водоемы (тыс. т): 1200 взвешенных
частиц, 190 аммонийного азота, 58 фосфора, 50 железа, 30
нефтепродуктов, 11 СПАВ, 2,1 цинка, 0,8 меди, 0,3 фенолов и т.п. Соли
тяжелых металлов (ртути, свинца, цинка, меди и др.) накапливаются в иле
на дне водоемов и в тканях организмов, составляющих пищевые цепи. При
попадании в организм человека соли тяжелых металлов вызывают
тяжелейшие отравления.
Уникальным по запасам пресной воды является озеро Байкал. Это
1/5 мировых запасов пресной воды (исключая льды) и более 4/5 запасов
России. При объеме 23 тыс. куб.км в озере ежегодно воспроизводится
около 60 куб км чистейшей пресной воды. Неповторимое качество
обеспечивается жизнедеятельностью уникального, тонко настроенного
биоценоза Байкала, которое содержит в своем составе самое большое в
мире количество эндемических форм организмов. Однако тревогу
вызывает все возрастающее количество хозяйственных стоков.
В 1990 году объем хозяйственных стоков, поступающих в Байкал,
достиг 200 млн куб.м. Нередко стоки несут губительные для гидробионтов
вещества такие, как ртуть, цинк, вольфрам, молибден.
Загрязнение водоемов происходит не только отходами
промышленного производства, но и попаданием с полей в водоемы
органики, минеральных удобрений, пестицидов, применяемых в сельском
хозяйстве.
При разложении органики затрачивается кислород, в связи с этим
его содержание в воде снижается, и многие животные гибнут.
Минеральные удобрения вызывают бурное развитие водорослей,
приводящее зачастую к ухудшению качества воды и исчезновению
наиболее ценных видов рыб. Многие пестициды обладают высокой
устойчивостью и накапливаются в тканях организмов. При этом в
организмах каждого следующего трофического уровня их содержание
повышается в несколько раз, а иногда в десятки раз.
Морские воды также подвергаются загрязнению. С реками и со
стоками прибрежных промышленных и сельскохозяйственных
предприятий ежегодно выносятся в моря миллионы тонн химических
отходов, а с коммунальными стоками и органических соединений. Из-за
аварий танкеров и нефтедобывающих установок в океан попадает по
разным источникам не менее 5 млн. тонн нефти в год, вызывая гибель
многих водных животных, морских птиц. Опасения вызывают захоронения
ядерных отходов на дне морей, затонувшие корабли с ядерными
реакторами и ядерным оружием на борту. Наиболее значительные
скопления таких источников находится в Баренцевом, Карском и
Японском морях. Более 20 лет военными использовались акватории вблизи
Новой Земли и Кольского полуострова в качестве ядерной свалки.
Производство энергии. Потребность в энергии является одной из
основных, жизненных потребностей человека. Энергия нужна как для
нормальной деятельности современного человеческого общества, так и для
простого физического существования каждого человека. В конце XX
столетия электроэнергию главным образом получали на гидростанциях,
тепловых и атомных станциях. С получением энергии на
теплоэлектроэнергетических предприятиях связаны сложные
экологические проблемы. Например, многие десятилетия считали, что
гидроэлектростанции являются экологически чистыми предприятиями, не
наносящими вреда природе. В России построили крупнейшие ГЭС на
основных, великих реках. Этим строительством, как теперь стало ясно,
нанесен большой урон не только природе, но и человеку. Во-первых,
строительство плотин на равнинных реках вызывает затопление больших
территорий под водохранилища, что связано с переселением людей и
потерей пахотных земель, лугов и пастбищ.
Во-вторых, плотина, перегораживая реку, создает непреодолимые
препятствия для миграции проходных и полупроходных рыб, которые
поднимаются на нерест в верховья рек.
В-третьих, в хранилищах вода застаивается, проточность ее
замедляется. Это сказывается на жизни всех организмов, обитающих в
реке и у реки.
В-четвертых, местное повышение воды оказывает влияние на
грунтовые воды, приводит к подтоплению, заболачиванию, а также к
эрозии берегов и оползням.
В-пятых, крупные высотные плотины на горных реках представляют
собой источники опасности, особенно в районах с высокой
сейсмичностью. Известны в мировой практике несколько случаев, когда
прорыв таких плотин приводил к большим разрушениям и гибели сотен и
тысяч людей.
Опаснейшими загрязнителями природной среды являются ТЭЦ, на
которых сжигаются огромные объемы топлива. Миллионы кубометров
вредных и опасных отходов от работы тепловых электростанций
практически целиком поступают в природную среду.
Долгие годы считалось, что атомные электростанции (АЭС)
являются более чистыми, чем ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ. Однако они таят в себе
большую потенциальную опасность в случае серьезных аварий реакторов.
Так, взрывы, пожар и извержение продуктов деления при аварии в 1986
голу на Чернобыльской АЭС стали катастрофой глобального масштаба.
Было выброшено из разрушенного реактора около 7,5 тонны ядерного
топлива и продуктов деления с суммарной активностью не менее 50 млн.
кюри. Чернобыльским выбросом в разной степени загрязнены 80 %
территории Белоруссии, северная часть Правобережной Украины, 17
областей Российской Федерации.
Таким образом, энергетика ставит сложнейшие экологические
проблемы.
Сведение лесов - одна из важнейших глобальных экологических
проблем современности. В функционировании природных экосистем роль
лесных сообществ огромна. Лес поглощает атмосферное загрязнение
антропогенного происхождения, защищает почву от эрозии, регулирует
сток поверхностных вод, препятствует снижению уровня грунтовых вод и
т.д.
Уменьшение площади лесов вызывает нарушение круговоротов
кислорода и углерода в биосфере. Хотя катастрофические последствия
сведения лесов широко известны, их уничтожение продолжается. Леса на
нашей планете занимают площадь около 42 млн. кв. км, но их площади
ежегодно уменьшается на 2 %. Несмотря на то, что Россия имеет самую
большую в мире площадь лесов (на каждого жителя приходится около 5 га
лесных угодий), используется это богатство не эффективно. По мнению
академика М.Я.Лемешева, массовые экстенсивные лесозаготовки,
базирующиеся на сплошных вырубках, к концу XX столетия охватили по
существу весь Гослесофонд страны. Эти рубки зачастую подрывают
основы лесного воспроизводства, особенно в европейской части России и
на Урале.
Сведение лесов влечет за собой гибель их богатейших фауны и
флоры. Человек должен помнить, что его существование на планете
неразрывно связано с жизнью и благополучием лесных экосистем.
Истощение и загрязнение почвы. Почвы являются еще одним
ресурсом, который подвергается чрезмерной эксплуатации и загрязняется.
Несовершенство сельскохозяйственного производства - основная причина
сокращения площади плодородных почв. Плодородный слой почвы при
неправильной распашке часто смывается выпадающими осадками (водная
эрозия), или развеивается ветром (ветровая эрозия), происходит
образование оврагов.
Распашка обширных степных площадей в России и других странах
стали причиной пыльных бурь и гибели миллионов гектаров
плодороднейших земель.
Эрозия почвы в XX столетии стала всемирным злом. Подсчитано,
что в результате водной и ветровой эрозий в этот период на планете
потеряно 2 млрд га плодородных земель активного сельскохозяйственного
использования.
Избыточное орошение, в первую очередь в условиях жаркого
климата, может вызывать засоление почв. Это также одна из основных
причин выпадения пахотных земель из сельскохозяйственного оборота.
Радиоактивное загрязнение почвы несет большую опасность.
Радиоактивные вещества из почв попадают в растения, затем в организмы
животных и человека, накапливаются в них, вызывая различные
заболевания. Долгоживущие, радиоактивные элементы сохраняются в
экосистемах сотни лет. Особую опасность представляют химические
средства защиты, особенно органические соединения, применяемые в
сельском хозяйстве в борьбе с вредителями, болезнями и сорняками.
Неумелое и бесконтрольное использование пестицидов приводит к их
накоплению в почве, воде, донных отложениях водоемов.
Важно отметить, что они включаются в экологические пищевые
цепи, переходят из почвы и воды в растения, затем в животных, а в
конечном итоге попадают с пищей в организм человека.
Сокращение природного разнообразия. Чрезвычайная эксплуатация,
загрязнение, а зачастую и просто варварское уничтожение природных
сообществ, приводят к резкому снижению разнообразия живого.
Вымирание животных, свидетелями которого мы являемся, может стать
крупнейшим в истории нашей планеты. С лица Земли за последние 300 лет
исчезло больше видов птиц и млекопитающих, чем за предшествующие
10000 лет. Вымирание крупных животных драматично, и они,
естественно, подлежат охране. Следует помнить, что главный ущерб
разнообразию состоит не в их гибели из-за прямого преследования и
уничтожения, а в том, что в связи с освоением новых площадей для
сельскохозяйственного производства, развитием промышленности и
загрязнением среды площади многих природных экосистем оказываются
нарушенными. Это так называемое "косвенное воздействие" приводит к
вымиранию десятков и сотен видов животных и растений, многие из
которых не были известны и никогда не будут описаны наукой.
Значительно ускорился процесс вымирания, например, животных, в связи с
уничтожением тропических лесов. За последние 200 лет их площадь
сократилась почти вдвое и продолжает сокращаться со скоростью 15-20
гектаров в минуту. Практически полностью исчезли степи в Евразии и
прерии в США. Сообщества тундры также интенсивно разрушаются. Во
многих районах находятся под угрозой коралловые рифы и другие морские
сообщества.
В нарушенных, обедненных из-за воздействия человека сообществах
в наше время уже возникают новые виды с непредсказуемыми свойствами.
Следует ожидать, что этот процесс будет лавинообразно нарастать. При
внедрении этих видов в "старые" сообщества может произойти их
разрушение и наступить экологический кризис.
2. Пути решения экологических проблем
Сбалансированное развитие человечества - путь к решению
современных экологических проблем. Сбалансированное развитие
Международная комиссия по охране окружающей среды и развитию ООН
характеризует как путь социального, экономического и политического
прогресса, который позволит удовлетворить нужды настоящего и будущих
поколений. Иными словами, человечество должно научиться "жить по
средствам", использовать природные ресурсы, не подрывая их, вкладывать
деньги, образно выражаясь, в страховку - финансировать программы,
направленные на предотвращение катастрофических последствий
собственной деятельности. К таким важнейшим программам следует
отнести сдерживание роста населения; развитие новых промышленных
технологий, позволяющих избежать загрязнения, поиск новы, чистых
источников энергии; увеличение производства продовольствия без роста
посевных площадей.
Регулирование рождаемости. Четыре основные фактора
определяют численность народонаселения и скорость ее изменения:
разница между коэффициентами рождаемости и смерти, миграция,
фертильность и количество жителей в каждой возрастной группе. Пока
коэффициент рождаемости выше коэффициента смертности, население
будет увеличиваться со скоростью, зависящей от положительной разницы
между этими величинами.
Нынешние темпы роста населения не могут сохраняться долго.
Специалисты утверждают, что уже к концу XX столетия, общая
численность людей превысит допустимую в несколько раз. Естественно,
она определяется не по биологическим потребностям человека в пище и
т.д., а по качеству жизни, достойному конца XX века и тому удельному
давлению на среду, возникающем при стремлении к обеспечению этого
качества существования. Существует мнение, что ко второй половине XXI
века население Земли стабилизируется на уровне 10 млрд человек. Этот
прогноз основывается на предположении, что рождаемость в
развивающихся странах снизится. Практически во всем мире признается
необходимость регулирования рождаемости. В большинстве
развивающихся стран существуют правительственные программы по
контролю за рождаемостью. Проблема заключается в том, что
рождаемость снижается параллельно с ростом уровня благосостояния, а
при современном быстром темпе роста населения благосостояние можно
поднять только при очень высоких темпах экономического развития.
Нагрузка на окружающую среду в данной ситуации может превысить
допустимый уровень. Снижение рождаемости - единственный приемлемый
способ вырваться из этого порочного круга.
Рациональное управлением природными ресурсами.
Ограниченность ресурсов Земли является в конце XX века одной из
наиболее актуальных проблем человеческой цивилизации. В связи с этим,
одним из важнейших условий современности можно считать решение
задач по рациональному управлению природными ресурсами. Их
выполнение требует не только обширных и глубинных знаний
закономерностей и механизмов функционирования экологических систем,
но и целенаправленного формирования нравственного фундамента
общества, осознание людьми своего единства с природой, необходимости
перестройки системы общественного производства и потребления.
Для сознательного и квалифицированного управления экономикой и
природопользованием необходимо:
- определить цели управления;
- разработать программу их достижения;
- создать механизмы реализации поставленных задач.
Стратегия развития промышленности, энергетики и борьба с
загрязнениями. Главным стратегическим направлением развития
промышленности является переход на новые вещества, технологии,
которые позволят уменьшить выбросы загрязнителей, используются общие
правила, что предотвратить загрязнение легче, чем ликвидировать его
последствия. В промышленности для этого применяются системы очистки
сточных вод, оборотное водоснабжение, газоулавливающие установки, на
выхлопных трубах автомобилей устанавливаются специальные фильтры.
Переход на новые, более чистые источники энергии также способствуют
уменьшению загрязнения природной среды. Так, сжигание на ГРЭС или
ТЭЦ природного газа вместо угля позволяет резко снизить выбросы
диоксида серы.
Во многих случаях загрязнение атмосферы и водоемов затрагивает
интересы нескольких или многих стран. Для уменьшения его последствий
необходимо международное сотрудничество. В качестве примера такого
сотрудничества следует назвать соглашение о снижении производства
хлорфторуглеродов, в котором участвует большинство государств мира, в
том числе Россия и страны СНГ.
Рациональное использование минеральных ресурсов. Из-за
несовершенства технологий добычи и переработки минеральных ресурсов
нередко наблюдается разрушение биоценозов, загрязнение окружающей
среды, нарушение климата и биогеохимических циклов. К рациональным
подходам к извлечению и переработке природных минеральных ресурсов
относятся:
- максимально полное и комплексное извлечение из месторождения
всех полезных компонентов;
- рекультивация (восстановление) земель после использования
месторождений;
- экономное и безотходное использование сырья в производстве;
- глубокая очистка и технологическое использование отходов
производства;
- вторичное использование материалов после выхода изделий из
употребления;
- использование технологий, позволяющих проводить концентрацию
и извлечение рассеянных минеральных веществ;
- использование природных и искусственных заменителей
дефицитных минеральных соединений;
- разработка и широкое внедрение замкнутых циклов производства;
- применение энергосберегающих технологий и т.д.
Некоторые из современных производств и технологий отвечают
многим из этих требований, но вместе с тем, нередко они еще не стали
нормой производственной сферы и природопользования в мировом
масштабе. Создание новых технологий должно сочетаться с грамотной
экологической экспертизой всех особенно широкомасштабных проектов в
промышленности, строительстве, транспорте, сельском хозяйстве и других
видах деятельности человека. Проводимая специальными, независимыми
органами, такая экспертиза позволит избежать многих просчетов и
непредсказуемых последствий реализации этих проектов для биосферы.
Стратегия развития сельского хозяйства В конце XX столетия
объем мировой сельскохозяйственной продукции растет быстрее, чем
население. Однако этот рост сопровождается, как известно,
существенными издержками: сведением лесов для расширения посевных
площадей, засолением и эрозией почв, загрязнением среды удобрениями,
пестицидами и т.д.
В дальнейшем развитии сельского хозяйства стратегическим
направлением является повышение урожайности, позволяющей обеспечить
растущее население продовольствием без увеличения посевных площадей.
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур может быть
достигнуто за счет расширения орошения. Большое значение, особенно
при недостатке водных ресурсов должно предаваться капельному
орошению, при котором вода рационально используется путем
непосредственной ее подачи корневой системе растений. Другой путь -
выведение и возделывание новых сортов сельскохозяйственных культур.
Возделывание новых сортов, например зерновых культур, более
продуктивных и устойчивых к болезням дало в последнее десятилетия XX
века основной прирост сельскохозяйственной продукции. Этот успех
селекционеров был назван "зеленой революцией".
Урожайность повышается при чередовании возделываемых культур
(севооборотах) применительно к зональным условиям, а нередко и при
переходе от монокультуры к смешанным посевам, например совместному
выращиванию зерновых культур с бобовыми особенно на кормовые цели.