Предмет, структура, проблемы, задачи, методы науки экология

Конспект лекций по дисциплине «Экология» Лекция 1 Предмет, структура, проблемы, задачи, методы науки экология 1. Предмет экологии Термин «экология» (от греч. oikos – жилище, обитель, дом и logos – слово, учение) ввел в 1866 г Эрнст Геккель (1834–1919) – немецкий зоолог, дословно он означает «знание, учение о доме, обители, месте обитания». Наиболее краткое определение экологии: наука о взаимоотношениях организмов и среды их обитания. Экология – наука биологического цикла, которая сформировалась в рамках биологической науки. Ее предмет: 1) взаимоотношения живых организмов между собой и окружающей неживой природой (средой); 2) закономерности размещения и организации сообществ растений и животных; 3) динамика их численности; 4) факторы выживания и продуктивности; 5) потоки энергии и круговороты веществ, в которых участвуют организмы. При определении предмета науки экологии необходимо решить вопрос, будет ли человеческое общество включаться в число «живых организмов природы». К решению этой проблемы в современной экологии существует два подхода, две системы взглядов на взаимоотношения Человека и Природы. 1.1. Антропоцентрический, технологический, технократический подход к решению вопроса о месте человека в природе Согласно этому подходу человек не включается как цивилизация в число организмов природы. Считается, что законы, управляющие жизнью сообществ растений и животных в природе не распространяются на человека (или играют подчиненную роль по отношению к законам жизни людей). Живая природа и человеческое общество рассматриваются как 2 разные системы, внутренние связи в каждой из которых сильнее и существеннее, чем связи между ними. При таком подходе собственно экология остается в классических рамках – биологии, предметом экологии как науки остается взаимоотношение живых организмов природы и среды их обитания, а для человека и связанных с его деятельностью экологических проблем отводится наука об окружающей среде. Взаимоотношения человека и природы при этом строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Возникшие проблемы окружающей среды счи- 2 таются следствием неправильного ведения хозяйства, высокой отходности и ресурсоемкости, несовершенства технологий. Потому эти проблемы выглядят принципиально устранимыми технологическим путем, а законы природы не могут и не должны мешать экономическому росту, научно-техническому и социальному прогрессу человечества. Антропоцентрический подход характерен для многих политиков, экономистов, хозяйственников и представляется естественным для большинства инженеров вынужденных решать проблемы загрязнения окружающей среды для своего конкретного предприятия в рамках своих служебных обязанностей. 1.2. Биоцентрический или экоцентрический взаимоотношений человека и природы подход к проблеме Биоцентрический или экоцентрический подход основан на представлении, что человек как биологический вид в значительной мере остается под контролем главных экологических законов и в своих взаимоотношениях с природой обязан принимать ее условия. Развитие человеческого общества – часть эволюции природы, где действуют законы экологических пределов, необратимости и отбора. Возникновение проблем окружающей среды обусловлено не просто ее загрязнением, но превышением порога выносливости биосферы, нарушением ее регуляторных функций. Последние (регуляторные функции) не могут быть восстановлены или изменены только технологическим путем. В рамках экоцентрического подхода прогресс человеческой цивилизации ограничен – его (её – «цивилизации») безусловной зависимостью от состояния живой природы и ее законов. Экоцентрический подход характерен для относительно небольшого круга профессиональных экологов и системных аналитиков, воспринявших экологическую ориентацию глобальных проблем, а также для стихийного экоцентризма части людей. Другие точки зрения на проблему взаимоотношений человека и природы – от полного равнодушия до крайней тревоги – лишь крайние варианты двух указанных подходов. В последние десятилетия угроза глобального экологического кризиса заставила рассматривать человеческую деятельность на планете с позиций живой природы. Произошло расширение предмета экологии как науки. Экология стала рассматривать проблемы окружающей среды с позиций достижений как биологии, так и других наук о земле, физики, химии, различных инженерных наук, предъявляет новые требования к информатике и вычислительной технике, находить приложение в экономике, политике, социологии, этике. Выбор между этими двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию дальнейшего развития человеческого общества. Большинство людей пока еще склоняются к антропоцентрической точке зрения, так как она выглядит проще, оптимистичнее и отталкивается от предыдущего практического опыта человечества. Однако, в настоящее время уже существуют 3 очень веские аргументы в пользу экоцентризма, пренебрегать которыми нельзя. Этот процесс проникновения экологии в другие области знания получил название экологизации, а экология как наука в настоящее время трактуется как: «Междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи». 2. Структура науки «Экология» В настоящее время экология превратилась из частного раздела биологии, знакомого узкому кругу специалистов, в обширный и еще окончательно не сформировавшийся комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, который часто называют мегаэкологией, т.е. «большой экологией», или макроэкологией. Сейчас выделяют несколько разделов «большой экологии»: Экология Фундаментальные экологические дисциплины: Общая экология Биоэкология Геоэкология Экология человека, социальная экология Глобальная экология Прикладные экологические дисциплины: Экология промышленности Экология сельского хозяйства Экология транспорта Промысловая экология Охрана природы Охрана окружающей среды Общая экология объединяет разнообразные экологические знания на едином научном фундаменте. Ее ядро – теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем, в том числе эколого-экономических и природно-хозяйственных систем. Биологическая экология – основа экологии. Главные ее части: 1. Экология естественных биологических систем:  особей как представителей определенных видов (аутоэкология);  популяций (популяционная экология, или демэкология);  многовидовых сообществ, биоценозов (синэкология), экологических систем (биогеоценология, учение об экосистемах). 2. Экология таксономических групп организмов — царств бактерий, грибов, растений, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов, отрядов и т. п. 3. Эволюционная экология — учение о роли экологических факторов в эволюции и о смене экологических условий в истории Земли. 4 Именно биоэкология на основе изучения роли потоков веществ, энергии и информации в жизни сообществ организмов изучает взаимодействие биологических структур с окружающей средой. Биологические структуры – разного уровня, от отдельной живой клетки до биосферы в целом. Геоэкология – изучает взаимоотношения организмов и среды с точки зрения их географической принадлежности и влияния географических факторов. В нее входят: 1) экология обитателей разных сред (наземной, почвенной, пресноводной, морской, преобразованной человеком); 2) экология природно-климатических зон – биомов – (тундры, тайги, степи, пустынь, тропических лесов и др.); 3) экология ландшафтов (речных долин, морских берегов, болот, островов, гор, коралловых рифов и т.п.); 4) экологическое описание различных географических областей, регионов, стран, континентов. Экология человека и социальная экология – изучает взаимодействие человека с окружающей средой его жизни и хозяйственной деятельности – природной, техногенной, социально-экономической, культурной (по существу – изучает экологические ниши и потребности человека). Экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей его природной и социальной средой. Глобальная экология (экосферология) – сформировалась на стыке биоэкологии и геохимии Земли, на основе изучения роли живых организмов в планетарной трансформации солнечной энергии и в круговороте химических элементов. Глобальная экология включает в себя учение о биосфере — глобальной экологической системе, и ее взаимодействию с техносферой. Экология промышленности, экология сельского хозяйства, экология транспорта, промысловая экология – прикладные экологические дисциплины, занимающиеся решением и предотвращением экологических проблем в соответствующих отраслях человеческой деятельности. Охрана природы – комплексная межотраслевая дисциплина, которая разрабатывает принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов, сохранения качества природной среды. Охрана окружающей среды – комплексная межотраслевая дисциплина, которая разрабатывает принципы и методы обеспечения оптимального для здоровья и жизни человека состояния окружающей его среды – природной, техногенной, социально-экономической, культурной. Основная практическая значимость экологии – осуществление научного контроля природопользования, в основе которого должны лежать законы экологии и экономики природы (не только природные биоресурсы, но и пространства территорий и акваторий, земля, вода, воздух, солнечный свет, агроресурсы, продукты недр – все что участвует в природных и антропогенных трансформациях энергии и круговоротах веществ. Экология нужна для обоснования технических 5 условий и санитарно-гигиенических требований к процессам и устройствам (экологическое нормирование). Из приведенной структурной схемы составных частей экологической дисциплины следует: 1. Экология ≠ охрана окружающей среды (соотносятся как общая и частная – прикладная дисциплины). 2. Экология ≠ состояние окружающей среды (даже на бытовом уровне не стоит приписывать название большой науки категориям элементарной чистоплотности). 3. Охрана окружающей среды ≠ охрана природы. Охрана окружающей среды занимается сохранением окружающей среды, чтобы она всегда оставалась пригодной для жизни в ней самого человека, как биологического вида. Охрана природы занимается сохранением окружающей среды от деструктивной по отношению к ней деятельности человека. В целом же, с экологической точки зрения, концепция охраны порочна с самого начала, так как деятельность следует строить таким образом, чтобы не допускать, предотвращать эффекты и результаты воздействия на природу и человека, от которых их потом приходится «охранять». Сохранить качество окружающей человека среды невозможно без участия природных экологических механизмов. 3. Экологические проблемы Объем антропогенного воздействия на биосферу в 20-м веке приблизился к пределу ее устойчивости, а по некоторым параметрам его превзошёл, о чем свидетельствует:  резкое сокращение площади ненарушенных экосистем, их деградация, необратимое количественное и качественное обеднение биосферы;  потребление возобновимых природных ресурсов (вода, почва, биомасса растений и животных) достигло или превысило темпы их естественного прироста;  химическая деформация среды как результат загрязнения отходами человеческого хозяйства, угроза здоровью людей;  разомкнутость антропогенного круговорота веществ (отходы содержат много веществ и материалов, не утилизируемых в естественных круговоротах – ксенобиотиков);  резкое сокращение запасов невозобновимых (минеральных и топливных) ресурсов. В геологической истории земли и раньше происходили значительные изменения растительного покрова, ландшафтов суши, химического состава атмосферы и климата. Но никогда эти нарушения не происходили так быстро, что и означает наступление глобального экологического кризиса. 6 Природа отвечает на антропогенное давление часто непредвиденными изменениями, создающими экологическую опасность:  антропогенное преобразование ландшафтов и их загрязнение имеют неконтролируемое последствие в виде зон экологического риска, экологических бедствий, экономических потерь;  избирательное воздействие на отдельные виды микроорганизмов, растений, животных вызывает неконтролируемые цепные реакции нарушают устойчивость экосистем, ведут к их разрушению;  мутации живых организмов под действием химического и радиационного загрязнения среды (повышенная устойчивость, адаптивность, иногда – опасные для человека свойства мутантов). Человек оказался в ловушке противоречия между своей консервативной биологической природой и нарастающим его отчуждением от природы. С одной стороны – человек существо биологическое, приспособленное в процессе эволюции к определенным условиям среды, температурному режиму, смене дня и ночи, химическому составу атмосферы, воды, продуктов питания и т.д. С другой стороны, человек использует изобретенные им технологии и средство жизнеобеспечения, что позволяет ему в большой степени освободиться от давления естественного отбора и межвидовой конкуренции. Все это привело к огромному увеличению и продолжению роста численности людей, не связанному с повышением их биологического качества. Для человека характерны совершенно немыслимые в природе:  наследственные заболевания;  наследственная предрасположенность к болезням;  низкий иммунобиологический статус;  возрастная хронизация болезней. Проблемы экологии перерастают в проблемы здравоохранения. Человечество приобрело черты цивилизации потребления, экономика ее поддерживается преимущественно за счет провокации большого числа вторичных, факультативных потребностей, удовлетворение которых ведет к избыточной технологической нагрузке на природу и окружающую человека среду. Это положение очень наглядно иллюстрируется ростом энергопотребления человека параллельно с развитием человеческой цивилизации. На разных этапах развития человеческого общества расход энергии на 1 человека (кДж/сут) составлял:  в каменном веке – 18 000 кДж /сутки (фактически это калорийность пищи физически работающего человека);  в аграрном обществе – 56 000 кДж /сутки;  в индустриальном обществе – 300 000 кДж /сутки;  в передовых, экономически-развитых странах индустриального общества – 950 000 ккал/сутки – 1 000 000 кДж /сутки (в 60 раз больше, чем у наших предков). 7  Такое последовательное возрастание энергопотребления современного человека по сравнению с энергопотреблением каменного века объясняется вовлечением в производство пищевой продукции (18 000 кДж /сутки на одного человека) кроме мускульной силы самого человека (все те же 18 000 кДж /сутки на одного человека каменного века) энергетических затрат на производство сельскохозяйственной техники, топлива для этой техники, кормов, удобрений, пестицидов, применяемых в сельском хозяйстве. В результате: 1) растет потребление энергии; 2) растет потребление природных ресурсов; 3) растет количество отходов; 4) следовательно – растет загрязнение окружающей среды. Но при этом энергетические затраты на обеспечение пищевой потребности на 1 человека выросли в энергетическом выражении только в 10 раз:  в каменном веке – 18 000 кДж/сутки;  в современном сельском хозяйстве – 180 000 кДж/сутки. Откуда же возникает разница по энергоемкости между пищевой потребностью человека и общими энергетическими затратами в нашем индустриальном обществе? С изменениями в сельскохозяйственном производстве изменились и стандарты удовлетворения других потребностей человека, появились новые, вторичные, факультативные потребности. Именно с удовлетворением этих вторичных, факультативных потребностей современного человека и связано резкое увеличение энергопотребления на одного человека в 60 раз в современных индустриально-развитых странах. В результате еще более: 1) растет потребление энергии; 2) растет потребление природных ресурсов; 3) растет количество отходов; 4) еще более растет загрязнение окружающей среды. 4. Задачи экологии Главная задача экологической науки – консолидация ее различных разделов и огромного фактического материала на единой теоретической платформе для создания системы реальных взаимоотношений природы и человеческого общества. Решение главной экологической задачи связано с решением ряда научнопрактических задач:  диагностика состояния природы планеты, определение порога выносливости биосферы и степени обратимости ее изменений;  прогнозирование регионального и глобального состояния окружающей среды при разных сценариях экономического и социального развития стран, регионов и человечества в целом; 8  отказ от природопокорительской идеологии и создание новой, направленной на экологизацию экономики, производства, техники, политики, образования;  формирование экологического мировоззрения, которое приведет масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствие с экологической выносливостью природы и предотвратят глобальный экологический кризис. 5. Методы экологии Методическая основа современной экологии – сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Системный подход присутствует во всех экологических исследованиях, так как любой объект экологии представляет собой систему или часть системы в силу всеобщей связи элементов живой природы. Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические наблюдения; измерения температуры, прозрачности, солености и химического состава воды; определение характеристик почвенной среды, измерения освещенности, радиационного фона, напряженности физических полей, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п. Экологический мониторинг — периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды. В настоящее время техника экологического мониторинга быстро развивается, используя новейшие методы физико-химического экспресс-анализа, дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных. Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках, в объемах воды или почвы, маршрутные учеты, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей. Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их число входят различные, подчас сложные и длительные наблюдения в природе, различные экспериментальные подходы, когда в лабораторных условиях регистрируется воздействие строго контролируемого фактора на те или иные функции растений или животных, а также анализируется применимость полученных на животных результатов к экологии человека. Группу методов изучения взаимоотношений между организмами в многовидовых сообществах составляют натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения, опыты с переносом «меток», например радиоактивных изотопов, с помощью которых можно опреде- 9 лить, сколько органического вещества и энергии переходит от одного звена пищевой Цепи к другому: от растений к травоядным животным, от травоядных к хищникам. Методы математического моделирования. Потребность в них для целей управления и прогнозирования очень велика. В свое время были получены обобщенные аналитические модели многих экологических процессов. Но реальные объекты экологии столь сложны, что с трудом поддаются строгому математическому описанию даже при значительном упрощении задач. Поскольку в большинстве случаев речь идет о многоуровневых нелинейных задачах с большим числом переменных, аналитические решения практически невозможны, и на первое место выдвигаются численные методы имитационного моделирования, глобального моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники. Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития. Однако в настоящее время количественная оценка процессов, происходящих в природе, ограничивается сложностью и многообразием этих процессов. В настоящее время математический расчет параметров и процессов, идущих в биосфере требует большего времени, чем весь период существования Земли как твердого тела. Потенциально-осуществимое разнообразие природы оценивается числами от 101000 до 1050. Лекция 2 Биосфера 1. Понятие биосферы, границы и состав биосферы Впервые понятие «биосфера» введено в научный обиход в 1875 году австрийским геологом Э. Зюссом. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в т. ч. человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В. И. Вернадским (1926). По его определению биосфера – это «область планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь, и которая подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.) Биосфера – динамическая (термодинамическая) система живых и неживых компонентов, взаимодействующих между собой. Границы биосферы:  верхняя граница – расположена на высоте озонового слоя атмосферы – 20–25 км (выше живое погибает от ультрафиолетового излучения); 10  нижняя граница – ограничивается температурой горных пород и подземных вод (в разных участках литосферы температура 100 ˚С достигается на глубине от 1,5 до 15 км), находится на 2–3 км (максимально до 4 км) ниже поверхности суши и на 1–2 км ниже дна океана. В нефтяных месторождениях бактерии регистрируются в больших количествах на глубине 2–2,5 км;  поверхность земли – в настоящее время полностью лишена жизни лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов;  температурные пределы – для отдельных форм жизни – от практически абсолютного нуля до 180 ˚С;  пределы давления – от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более на больших глубинах. Семена и споры растений, мелкие животные в анабиозе могут сохранять жизнеспособность в полном вакууме. Современная биосфера включает живые организмы, их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами. Согласно В. И. Вернадскому, которому принадлежит развернутое учение о биосфере (1919, 1926 гг.), вещество биосферы состоит из: – живого вещества – биомассы современных живых организмов; – косного вещество – совокупности веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют; – биогенного вещество – созданного и переработанного живыми организмами –. После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны; – биокосного вещества – созданного в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других (почвы, коры выветривания, все природные воды). Согласно современным взглядам для понимания функционирования биосферы не обязательно учитывать все пространство, где встречаются следы жизни. Важнее рассматривать пространство и вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования современными живыми организмами. Это ограничивает биосферу:  от нескольких метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном до нижнего горизонта грунтовых вод или максимального проникновения корней растений или роющих животных;  из биосферы исключаются «надсферы» и «подсферы» и оставлены только террабиосфера и часть гидробиосферы;  эта область включает фотический слой воды в океане. За границами остается ничтожная часть живых организмов, но находятся огромные массивы продуктов их жизнедеятельности и в атмосфере (газы, водяной пар), и в гидросфере (растворенная, взвешенная и донная органика). 11 2. Функционирование биосферы Один из центральных вопросов экологии – выяснение существа взаимоотношений организмов с окружающей средой. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей биота (совокупность живых организмов) биосферы выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба. Газовая функция. Кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза, единственный абиогенный источник кислорода – диссоциация воды на больших высотах – незначителен. Накапливание кислорода в атмосфере происходит за счет захоронения углерода в виде органического вещества. Количество кислорода в атмосфере до сих пор неуклонно растет несмотря на его громадный расход человечеством. Весь запас свободного кислорода в атмосфере (1,6–1015 г., 1.6 млрд. т.) зеленые растения могут воссоздать за 10 тысяч лет, а за 7 лет поглощается весь углекислый газ атмосферы. Создание озонового слоя из кислорода в верхних слоях тропосферы – результат деятельности живого вещества. Вернадский писал, что «живое вещество как бы само создает себе область жизни». Биохимическая переработка продуцирование и потребление углекислого газа, азота, сероводорода, метана, других летучих веществ (фитонциды) формирует и поддерживает постоянство состава атмосферы, например 1 га можжевелового леса производит за 1 день 30 кг фитонцидов. Концентрационная функция. Живые организмы пропускают через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений:  биосинтез органики;  строительство раковин и скелетов, образование коралловых островов, толщ осадочных известняков;  окисление и восстановление элементов с переменной валентностью микроорганизмами (азот, сера, железо, марганец и др.) Геологические результаты – месторождения серы, сульфидов, скопления железомарганцевых конкреций на дне океана и т.п. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Живые клетки располагают эффективными катализаторами – ферментами и способны производить окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде. Информационная функция. С появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и генетическая информация – активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является 12 простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию стала важным экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты биосферы оценивается в 15 10 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты – 1036 бит/с. Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Она тесно связана со средорегулирующей функцией – биотической регуляцией окружающей среды. Биота в глобальном масштабе способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды несмотря на исключительную сложность и динамичность регулируемой системы. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды. Функционирование биосферы осуществляется в рамках бесконечного множества круговоротов вещества различного уровня под действием потока энергии от солнца. Примеры круговоротов веществ: 1. Круговорот воды в пределах ландшафтов – испарение – конденсирование – осадки. 2. Круговорот воды в пределах планеты – водообмен – океаны – материки. 3. Круговороты отдельных химических элементов – углерода, кислорода, азота и др. Круговороты (биологические) отдельных ландшафтов – характеризуются:  скоростью – количеством живого, образующегося и разлагающегося в единицу времени;  емкостью – количество химических элементов, находящихся одновременно в составе живого в данной экосистеме. 3. Эволюция биосферы Изменения окружающей среды на земле всегда происходили параллельно с эволюцией жизни. Два этих процесса в биосфере развивались параллельно и взаимосвязано:  изменение параметров абиотических факторов влекло за собой каскад изменений живого (принцип влияния неживого на живое);  меняющееся живое вещество активно воздействует на среду своего обитания, формируя ее новые параметры (принцип влияния живого на неживое). Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биотическая регуляция окружающей среды является результатом эволюции биосферы. 13 Важнейшим двигателем планетарной химической и органической эволюции является непрерывный поток солнечной энергии, постоянно организующий, воспроизводящий и усложняющий путем автокатализа и отбора циклические динамические системы вещества на Земле. Многие детали эволюционного процесса неизвестны, но динамика химических циклов в биосфере указывает на прямую связь химической и биологической эволюции на планете. В эволюции биосферы принято выделять два этапа: добиотический и биотический этапы эволюции. Добиотическая эволюция – химическая эволюция, подготавливала субстраты, конструкции и реакции для возникновения жизни, включает в себя 4 подэтапа. 1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад):  газовые компоненты веществ, из которых формировалась планета – ювенильная атмосфера – улетучились в пространство;  примитивная вторичная атмосфера, формируемая эмиссиями остывающей коры и вулканическими извержениями, имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, диоксид серы, сероводород, возможно, также окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения. 2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере:  появляется жидкая вода;  горячий первичный океан имеет на порядок меньший объем, чем современная гидросфера, но представляет собой более концентрированный раствор;  формируется круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах;  образуются микромолекулы при действии различных видов энергии на компоненты атмосферы и гидросферы;  автокатализ способствует отбору и росту молекул, органических мономеров – простых кислот, альдегидов, ароматических циклов, нуклеотидов. 3. Образование сложных органических веществ, биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот, полисахаридов. Органические вещества возникали в процессах конденсации и полимеризации мономеров и других простых соединений: С, Н, О, N, за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. 4. Возникновение круговорота органических соединений углерода. Реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, – зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ приводит к появлению устойчивых комплексов макромолекул, обладающих информационными функциями – молекулярным узнаванием, катализом (появление специфических ферментов), способностью к самосборке и редупликации. 14 Образуются липопротеидные, нуклеопротеидные и другие макромолекулярные микросистемы типа мембранных образований, микросфер или коацерватных капель – предшественников протоклеток. Биотическая эволюция – эволюция жизни, также включает 4 подэтапа. 1. Возникновение жизни (около 3,5 млрд лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению первичных клеток, способных к делению. Кодирующие редупликацию нуклеиновые кислоты становятся программами самовоспроизведения и биосинтеза – возникает биологическая информация. Функция самовоспроизведения становится почвой для возникновения естественного отбора. Появление клеток, различающихся по типу питания, – хемоавтотрофных и гетеротрофных – дает начало биотическому круговороту. 2. Появление фотоавтотрофных клеток, развитие фотосинтеза и биопродукция кислорода – постепенный переход к окислительной атмосфере. Микробы природных вод ускоряют миграцию и концентрацию химических элементов, формируют солевой состав среды, возникает средообразующая функция биоты. Появляются колониальные и многоклеточные формы, закладываются все царства живого. Оксигенация атмосферы и возникновение озонового экрана делают возможным выход на сушу – сначала амфибиальных организмов, а затем и наземных растений и животных. Это приводит к дальнейшему усложнению и совершенствованию биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота. 3. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Происходит последовательная смена основных эволюционных форм всех крупных таксонов растений и животных. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы. Преобразование среды деятельностью организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией. 4. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота. Биосфера сталкивается с техносферой и превращается в экосферу. Сокращение числа подсистем в биосфере приводит к дисбалансу синтеза и разложению органических веществ и невозможности поддержать эти процессы в скоррелированных биотой соотношениях. Драматизм биосферной эволюции хорошо выражен в одной из последних статей Н.Н. Моисеева (1998). Он оценивал развитие биосферы как цепь катастроф с 15 непредсказуемыми исходами. Одной из таких катастроф было уничтожение прокариотической биосферы и замена ее биосферой, в которой главенствуют эукариоты. Полная перестройка биосферы произошла и тогда, когда живое вещество вышло из океана. Гибель динозавров тоже следует отнести к числу подобных катастроф. Наконец, появление человека – это тоже катастрофа, внесшая в число механизмов развития биосферы разум, и опять с непредсказуемым исходом. В результате появления человека эволюция биосферы пошла по совершенно другому пути. 4. Среда обитания В пределах биосферы Земле живые организмы освоили 4 основные среды обитания, различающиеся по специфике условий – экологических факторов:  водная среда;  наземно-воздушная среда;  почва;  живые организмы. Водная среда – среда зарождения жизни, ее характерные особенности:  высокая плотность (~ 1 г/см3);  перепады давления (1 атмосфера /10 м глубины);  низкое содержание кислорода (1 об%);  невысокая интенсивность солнечного излучения вблизи поверхности и его отсутствие на глубине;  небольшие перепады температур;  наличие течений. Разные особенности (параметры) водной среды определяют особенности существующих в ней организмов (строение, характер движения, способы питания, дыхания и др.) Наземно-воздушная среда – освоена позднее водной, ее особенности:  это газообразная среда с невысокой плотностью;  высокое содержание кислорода;  относительно небольшое содержание воды и водяных паров – дефицит влаги;  определенный химический состав воздуха – 1,29 г/м3;  интенсивное солнечное излучение;  большие перепады температур;  наличие погодных изменений; определенный характер рельефа и грунта. Наземно-воздушная среда – среда сложная, требует приспособлений к существованию, возможных при высокой организации организмов (75 % способны к свободному полету, многие – к пассивному полету, многие имеют жесткую опору – стебли, позвоночник). 16 Почва – как среда обитания, сформировалась под действием живых организмов, представляет собой относительно тонкий поверхностный слой суши, в котором твердые частицы окружены воздухом и водой. Свойства почвы как среды обитания – промежуточные между водной и воздушной (температура, влага, кислород). Почва – среда обитания мелких организмов, одноклеточные используют ее как сеть водоемов; клещи, мелкие насекомые – живут в порах, заполненных воздухом (система мелких пещер); для крупных организмов (кроты, дождевые черви) – почва плотная среда с большим сопротивлением движению. Живые организмы как среда обитания – используются некоторыми паразитами и симбионтами. Экологические преимущества этой среды, формирующие организмы с примитивной организацией, вторичным упрощением строения (вплоть до потери целых органов и систем):  неограниченное количество пищи;  защищенность от внешних факторов среды («тепличные условия»);  относительно стабильные условия среды. Экологические трудности этой среды:  ограниченность жизненного пространства;  сложность снабжения кислородом;  трудности распространения от одного хозяина к другому;  защитные реакции организма против паразитов. Лекция 3 Экологические факторы 1. Экологические факторы Экологические факторы – отдельные свойства или элементы среды, оказывающие воздействие на живые организмы в ней проживающие. Экологические факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Среди экологических факторов выделяют:  абиотические («Не» «био» – «неживыые» физико-химические факторы);  биотические («био» – жизнь);  антропогенные («антропос» – человек). Абиотические факторы:  климатические (температура, давление, ветер, влажность, пр.);  почвенно-грунтовые (механические свойства, состав почв и грунтов, их воздухопроницаемость); 17  орографические (рельеф, высота над уровнем моря);  химические (химический состав воздуха, воды, почвы, пр.);  гидрологические (наличие и характер водных систем, водный режим, солевой состав воды, течения);  «физические» – свет, радиоактивное излучение – все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в различные отношения с представителями своего вида и других видов — растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие. Окружающий органический мир — составная часть среды каждого живого существа. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми (внутрипопуляционными) и межвидовыми (межпопуляционными) взаимодействиями – факторами. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции. Межвидовые факторы – контакты между особями и популяциями разных видов, разнообразные пищевые связи, поедание одних организмов другими, отношения симбиоза и «сотрудничества» или хищника и жертвы, бациллоносительство и вирулентность, межвидовая конкуренция, паразитизм и т.п. Взаимные связи организмов – основа существования биоценозов и популяций; рассмотрение их относится к области синэкологии. Антропогенные факторы – формы хозяйственной деятельности человека, которые непосредственно воздействуют на живой организм, или косвенно, через изменение его среды обитания. В ходе истории человек развивал сначала охоту, а затем сельское хозяйство, промышленность, транспорт сильно изменяя природу нашей планеты. Значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает стремительно возрастать. Хотя человек влияет на живую природу через изменение абиотических факторов и биотических связей видов, деятельность людей на планете следует выделять в особую силу, не укладывающуюся в рамки этой классификации. В настоящее время практически вся судьба живого покрова Земли и всех видов организмов находится в руках человеческого общества, зависит от антропогенного влияния на природу. Один и тот же фактор по-разному влияет на жизнь совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для 18 крупных обитающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т.п. Изменения факторов среды во времени могут быть: 1) регулярно-периодическими, меняющими силу воздействия в связи со временем суток, или сезоном года, или ритмом приливов и отливов в океане; 2) нерегулярными, без четкой периодичности, например, изменения погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера – бури, ливни, обвалы и т. п.; 3) направленными на протяжении известных, иногда длительных, отрезков времени, например, при похолодании или потеплении климата, зарастании водоемов, постоянном выпасе скота на одном и том же участке и т. п. Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т. е. могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды. 2. Закономерности воздействия абиотических экологических факторов на организмы. Адаптация Закономерности действия абиотических экологических факторов графически могут быть представлены в виде закона оптимума (рис. 1) сформулированного В. Шелфордом в 1811под названием закона толерантности. Закон экологической толерантности в общем виде гласит: рост и развитие организмов зависят, в первую очередь, от тех факторов среды, значения которых приближаются к экологическому минимуму или экологическому максимуму. Область благоприятного воздействия фактора называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем больше доза фактора отклоняется от оптимальной для данного вида величины (как в сторону повышения, так и в сторону понижения), тем сильнее угнетается его жизнедеятельность (зона пессимума). Границы, за которыми существование организма невозможно, называются нижним и верхним пределами выносливости. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Экологическая валентность – пределы выносливости живых существ между критическими точками по отношению к конкретному фактору среды. Лимитирующий фактор – фактор, имеющий в данных условиях наихудшие (недостаточные или избыточные по сравнению с оптимумом) значения. Он ограничивает возможность существования популяции в данных условиях, несмотря на оптимальное соотношение других факторов. Пример – икра балтийской камбалы гибнет в восточной части Балтийского моря из-за опреснения воды реками 19 (фактор солености), несмотря на то, что для взрослых особей условия жизни достаточно благоприятны. Рис. 1. Закон оптимума (диаграмма существования) – зависимость экологи ческой потенции от интенсивности действия фактора среды. Уровни жизнедеятельности, необходимые для сохранения жизни: I – в экстремальных условиях; II – в условиях нормального существования особи; III – в условиях нормального существования популяции. Экстремальные значения фактора: с–с' – биоинтервал фактора; b–b' – пределы выносливости особи; а–а' – пределы выносливости популяции; О – биологический оптимум. Пределы выносливости для популяции уже, чем для отдельной особи потому, что для существования популяции необходимо размножение, а «дети» менее защищены от вредных воздействий. Экологический спектр вида – набор экологических валентностей по отношению к разным факторам среды. К каждому из факторов среды организмы приспосабливаются относительно независимым путем. Выносливость к какомулибо фактору (например – широкому диапазону изменений температуры) не означает приспособленности к широким колебаниям других факторов (например, влажности или солевого режима). Адаптация – эволюционно – выработанные и наследственно закрепленные особенности (приспособления) организмов к среде, обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность в условиях изменившихся экологических факторов (на генетическом уровне). 20 Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, так как обеспечивает самую возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации возникают и изменяются в ходе эволюции видов, проявляясь на разных уровнях:  на уровне биохимии клеток;  на уровне строения, поведения отдельных организмов;  на уровне строения и функционирования сообществ и экологических систем. 3. Закономерности действия биотических экологических факторов («Биотические отношения») Взаимоотношения между организмами («биотические отношения») сложнее абиотических воздействий. Поэтому они труднее поддаются прямому измерению. Только для некоторых биотических факторов, относящихся к пищевым связям и численности популяций, возможны количественные оценки на основании экспериментов. Живые организмы одного вида живут популяциями. Популяция – группа организмов одного вида, непосредственно взаимодействующих между собой и совместно населяющих общую территорию. Внутривидовые отношения – это отношения между организмами внутри популяции одного вида, контакты между членами семьи, группы, стада, – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или в популяции. Внутривидовые отношения касаются всех основных функций вида, в результате проявляется групповая адаптация – присособление –(к комплексу абиотических и биотических факторов). Если популяция какого-либо вида изолирована от других популяций того же вида, в результате групповой адаптации возможно формирование нового вида организма. Межвидовые отношения – бывают: 1) пищевые (трофические) – хищник-жертва, паразит-хозяин; 2) непищевые:  топические – любое изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого (особенно большая роль в создании условий среды у растений);  форические – участие одного вида в распространении другого (животные – растения);  фабрические – использование одним видом для своих сооружений продукты выделения, мертвые остатки, живых особей других организмов. По характеру влияния одного вида на другой выделяются 6 типов межвидовых взаимодействий (табл. 1). 21 Таблица 1 Типы межвидовых взаимодействий Влияние Влияние № первого второго Тип Примеры п/п вида на вида на взаимодействия второй первый 1 нейтрализм волк и капуста, белка и лось ель – светолюбивые растеаменсализм ния под ней; грибы — про2 – (угнетение) дуценты антибиотиков и бактерии лев и грифы-падальщики; комменсализм 3 + акула и рыбы-прилипалы; («нахлебничество») дуплистые деревья и птицы овцы и кролики; песец и по4 – – конкуренция лярная сова; обитатели птичьих базаров капуста и коза, антилопы и 5 + – ресурс-экспуататор львы, животное-хозяин и глист-паразит лишайник (гриб + водомутуализм 6 + + росль); ми коризы деревьев; (симбиоз) корова и микрофлора рубца «0» – отсутствие влияния; «–» – противоположно направленное влияние, угнетение; «+» – однонаправленное влияние, благоприятствование. Нейтрализм (0, 0) —отсутствие отношений или при котором нет видимых форм прямых взаимодействий. Нейтрализм лишь на первый взгляд выглядит как полное отсутствие зависимости. Лев не питается травой, но ему не безразлично состояние пастбища в саванне, от которого зависит плотность популяции антилоп. Аменсализм – одностороннее угнетение (–, 0) – ингибирующее (угнетающее) действие фитонцидов растений на микроорганизмы; выделение некоторыми растениями веществ-маразминов, исключающих соседство других растений-аменсалов. Аменсализм выступает и в явлении «цветения» воды – токсины размножившихся и гниющих сине-зеленых водорослей приводят к гибели или вытеснению многих видов зоопланктона и других водных животных. Комменсализм (+, 0) – одностороннее благоприятствование, широко распространен в природе. Это «квартирование» одних организмов на других (при 22 отсутствии пищевой связи) – птиц в дуплах или на ветвях деревьев; «транспортировка» животными других животных или зачатков, семян и плодов растений. Популяции грызунов и городских птиц, кормящиеся на свалках – пример комменсализма по отношению к человеку. Комменсалами являются также различные микроорганизмы. Конкуренция (–, – ) является одним из двух главных механизмов регулирования числа организмов в природе (второй – «ресурс–эксплуататор»). Двустороннее, взаимное угнетающее действие одних организмов на другие имеет место всегда, когда совпадают их экологические ниши и когда ограничена емкость среды. Совпадение ниш может быть абсолютным, когда речь идет об организмах одного вида, одной популяции, о внутривидовой конкуренции – когда численность популяции приближается к пределу емкости среды, вступает в действие механизм регуляции численности: смертность возрастает, а плодовитость снижается. Пространство и пища – предмет конкуренции. Экологическая ниша – определенное место организма в среде, где он обитает, обусловленное его потребностью в пище, территории, воспроизводстве. Экологическая ниша определяется как абиотическими факторами, так и биотическими (функциональной ролью в сообществе). Так, организмы, ведущие сходный образ жизни, вследствие межвидовой конкуренции не живут в одних местах, а если какой-либо вид уничтожается – его место занимает вид с близкой экологической нишей. В загущенных посевах растений происходит «самоизреживание». В перенаселенных популяциях животных, особенно у грызунов, если не может быть реализован оптимизационный поиск, к общему угнетению добавляется увеличение смертности (включая эмбриональную) из-за стресса, повышения агрессивности, возникновения «иерархии угнетения» каннибализма – крайних проявлений борьбы за существование. Экологические ниши разных видов всегда различаются:  по пространству;  по времени;  по ресурсам. Любое совмещение ниш по этим качествам ведет к межвидовой конкуренции. Если ниша одного вида перекрывает нишу другого вида, второй вид совсем вытесняется первым; конкуренция между ними идет по пути конкурентного исключения или конкурентного замещения. Жестокая конкуренция за пастбища между овцами и кроликами в Австралии – лишь один из многочисленных примеров конкурентных отношений между видами. Будучи главным проявлением закона ограниченности ресурсов, конкуренция пронизывает все уровни экологической организации жизни, принимает самые разнообразные формы – от «благородного» соперничества до прямой агрессии и вместе с тем служит важным стабилизирующим фактором в природе. 23 Ресурс – эксплуататор (+, – ) –отношения организмов, принадлежащих к смежным трофическим (пищевым) уровням: 1) растительноядного животного и растения; 2) хищника и жертвы (в узком смысле этих понятий); 3) паразита и его хозяина. Именно этими отношениями обусловлены последовательности цепей питания и трофических уровней, определяющие соотношение численностей и биомасс организмов. Равновесие в таких системах может и нарушаться. Если два вида начали контактировать только недавно или резко изменилась среда, система оказывается неустойчивой и может привести к исчезновению жертвы. Как раз к таким результатам приводят многие антропогенные воздействия, при которых преобразуются новые территории и перемещаются растения и животные. Мутуализм (+, +) – взаимное положительное воздействие – широко распространено в природе. Кроме лишайника – симбиоза гриба и водоросли – примерами мутуализма (смешанного с эксплуатацией) могут быть взаимовыгодные отношения между цветковыми растениями и опыляющими их насекомыми и птицами; между тлями и «пасущими» их муравьями; между бобовыми растениями и поселяющимися на их корнях клубеньковыми азотфиксирующими бактериями; между жвачными животными и населяющими их рубец микроорганизмами и т.п. Иногда все формы (+, +) связей называют симбиозом, или сожительством. Но сожительство характерно и для других форм межвидовых отношений, таких, как комменсализм и паразитизм. Многие из отношений, представленных в таблице, свойственны не только межвидовым, но и внутривидовым взаимодействиям. Все они в той или иной форме проявляются в человеческом обществе, только называются по-другому. И каких-либо иных, «чисто человеческих», типов отношений попросту не существует. По отношению к живой природе человек выступает как типичный эксплуататор; круг его непосредственных жертв неизмеримо больше, чем у любого хищника. А разрушая и загрязняя окружающую среду, человек превращает большинство остальных видов в аменсалов. Лекция 3 Экологические системы 1. Экологическая система Экологическая система – основная функциональная единица биосферы, включающая в себя организмы (биотические сообщества) и абиотическую среду. 24 Термин «экосистема» введен английским ботаником А. Тенсли (1935 г.). По его определению экосистемой называют любую устойчивую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ. Составляющими экосистемы являются биоценоз (сообщество живых логанизмов) и биотоп (место жизни), составляющие два нераздельных элемента, действующих друг на друга и образующих более или менее устойчивую систему. Масштабы экосистем: капля воды – пруд, лес – океан). Сообщества организмов связаны с неорганической средой материально-энергетическими связями. Растения существуют за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы (животные) живут за счет автотрофов (растений), но нуждаются в поступлении неорганических соединений – кислорода и воды. В любом конкретном местообитании запасов неорганических соединений хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот. А. Тенсли подчеркивал, что неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. Биоценоз – группировка совместно обитающих и взаимно связанных организмов (приспособленных к совместному обитанию) могут быть различны (сообщество лишайников на дереве, население леса, степи). Биотоп – участок абиотической среды, который занимает конкретный биоценоз. Включает в себя не только вещества, но и физико–химические факторы (температуру, освещенность, химический состав, давление и пр.). В свою очередь биотоп (экотоп) состоит из климата и геологической среды, называемой эдафотопом. Эдафотоп – это то место, из которого биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты соей жизнедеятельности. Биогеоценоз – совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горных пород, растительности, животного мира, микроорганизмов), имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией. Внешне заметные границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ. Важнейшими характеристиками экосистем является биомасса и продуктивность. Биомасса – это суммарная масса организмов данной экосистемы на единице площади. Например, фитомасса, биомасса хищников, биомасса травоядных животных и пр. 25 Поскольку в процессе жизнедеятельности организмы растут и размножаются, то биомасса увеличивается. Прирост биомассы на единице площади за единицу времени представляет собой продуктивность экосистемы. На Земле выделяют 3 типа природных экосистем: 1) морские экосистемы (открытого океана, морских побережий, речных дельт, и т.д.); 2) пресноводные экосистемы (реки, озера, болота); 3) наземные экосистемы (пустыни, леса, тундры, степи, и т.д.) 2. Биотическая структура экосистемы Экосистема имеет определенную функциональную структуру. В нее входят группы организмов, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (самопитающие) – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ посредством фотосинтеза и хемосинтеза. Фотосинтез осуществляют фотоавтотрофы – все хлорофиллоносные (зеленые) растения и микроорганизмы. Хемосинтез наблюдается у некоторых бактерий, использующих в качестве источника энергии окисление водорода, серы, сероводорода, аммиака, железа. Хемоавтотрофы в природных экосистемах играют относительно небольшую роль, за исключением чрезвычайно важных нитрифицирующих бактерий. Автотрофы составляют основную массу всех живых существ и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в любой экосистеме, т.е. являются производителями продукции – продуцентами экосистем. Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, потребляющие органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это все животные, грибы и большая часть бактерий. В отличие от автотрофов-продуцентов гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы (разрушители) органических веществ. Итак, для поддержания круговорота веществ (рис. 2) в экосистеме необходимо: 1) наличие запаса неорганических веществ (молекул) в усвояемой форме; 2) 3 функционально различные экологические группы организмов:  продуценты – автотрофные организмы, способные строить свое тело за счет неорганических соединений; 26 Рис. 2. Роль автотрофов и гетеротрофов в переносе веществ и энергии в экосистемах  консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансфомирующие его в новые формы;  редуценты – гетеротрофные организмы, живут за счет мертвого органического вещества, переводя его в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ. В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена – консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные. Экосистемы в природе могут иметь самые разные масштабы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю, поверхность Земли, занятую жизнью. 27 3. Биотический круговорот веществ и энергии в природных экосистемах Организация жизни на Земле в виде экосистем является одним из необходимых условий ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни. 3.1. Круговорот углерода Главный участник биотического круговорота – углерод, как основа органических веществ (рис. 3). Наибольшее количество углерода содержится в литосфере в виде двух больших резервуаров, имеющих разное химическое происхождение:  в составе осадочных карбонатов, всех форм МСО3;  в составе ископаемых топлив, большая часть которых представляет собой биогенное и биокосное вещество – фоссилизированную, т.е. погребенную и преобразованную органику (от англ, fossil – окаменелый, ископаемый) – уголь, нефть, газ, нефтеносные сланцы, битуминозные пески, асфальт. Небольшое количество углерода содержится в литосфере в виде графита и алмазов. В гидросфере углерод находится в основном в виде гидрокарбоната НСО3, растворенного диоксида СО2 и некоторого количества растворимой органики. В атмосфере – в виде СО2 и относительно небольшой доли примесных газов, пыли и аэрозолей, содержащих углерод. Вся мертвая органика, задействованная в биотическом круговороте, все формы детрита, органика почв и илов отнесены к биосфере. Биомасса живых организмов содержит меньше 0,001% углерода Земли, но практически полностью определяет его планетарный круговорот. Основная часть круговорота углерода происходит между биотой суши и океана и атмосферой. По сравнению с этими потоками остальные потоки малы. Но так как их действие охватывало огромные по длительности геологические эпохи, связанные с этими потоками, утечки привели к образованию гигантских масс ископаемых топлив и осадочных карбонатов. Фоссилизация биогенного углерода, пик которой относится к каменноугольному периоду палеозойской эры (карбон – 350 – 290 млн. лет назад), в настоящее время не происходит. Идет противоположный процесс, в тысячи раз более мощный – техногенное сжигание ископаемых топлив. 28 Рис. 3. Глобальный круговорот углерода. Резервуары – в Гт, потоки – в Гт/год 3.2. Круговорот кислорода В отличие от углерода, резервуары доступного для биоты кислорода по сравнению с его потоками огромны. Поэтому отпадает проблема глобального дефицита О2 и замкнутости его круговорота (рис. 4). Биотический круговорот кислорода составляет 270 Гт/год. Для водных организмов нужен растворенный в воде кислород. Его среднее содержание в фотическом слое гидросферы составляет 4,5 мг/л и значительно колеблется. Содержание кислорода в атмосфере во много раз больше – 288 мг/л – и на протяжении длительной геологической эпохи постоянно. Наземные животные довольно чувствительны к отклонениям от этого уровня. Некоторый дефицит кислорода для животных и человека возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных устройствах. Биота биосферы, сыгравшая решающую роль в оксигенизации атмосферы, подвела его концентрацию в воздухе до черты, за которой уровень окислительной способности среды становится уже опасным для биоты. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткой ультрафиолетовой части солнечного спектра происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к возбужденным молекулам кислорода, образуя озон – трехатомный кислород: 29 Рис. 4.Круговорот кислорода (по П. Агесс) Кислород на Земле — первый по распространенности элемент (вес. %):  в атмосфере – 23,1;  в биосфере (в составе сухой органики) – 44,8;  в литосфере – 47,2;  в гидросфере (в составе воды) – 86,9.  На образование озона тратится около 5 % поступающей к Земле солнечной энергии – около 8,6∙1015 Вт. Реакции легко обратимы. При распаде озона эта энергия выделяется, за счет чего в верхних слоях атмосферы поддерживается высокая температура. Средняя концентрация озона в атмосфере составляет около 10–6 объемных процентов; максимальная концентрация О3 – до 4∙10-6 объемных процентов достигается на высотах 20–25 км. Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей, озон играет большую защитную роль для всей экосферы. Говоря о круговоротах веществ в экосистемах, необходимо еще раз подчеркнуть, что вынос вещества (для некоторых экосистем) за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т. п.). Но ни одна, даже самая крупная экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота веществ. Материки обмениваются веществом с океанами, литосферой (при большом участии в этих процессах атмосферы), а вся наша планета часть материи и энергии получает из космоса, а часть отдает в космос. 30 4. Поток энергии через экосистемы В конечном счете, вся жизнь на земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химическую энергию органических соединений (рис. 5). Рис. 5 Процессы фотосинтеза и дыхания в экосистемах ΔGi – энергия солнечного света, потребленная в процессе фотосинтеза; ΔHe – энергия окисления органических веществ (дыхания), выделенная в виде теплоты Синтезируемое и распадающееся (окисляемое) органическое вещество представлено в реакции углеводом (CH2O)n. Это может быть глюкоза (n = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза (n > 1800), но в реальном процессе — множество различных органических веществ, включающих и другие химические элементы. Их окисление дает энергию для различных физиологических и биохимических процессов. Количества поглощенной и выделенной энергии в реакции равны: ΔGi = ΔHe ≈ 478 кДж/моль. Общий множитель n определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме. Прямая реакция полностью, а обратная на 80–90% обеспечиваются растениями. Остальное количество органического вещества потребляется гетеротрофными организмами – животными, грибами, бактериями – и расходуется в процессе их дыхания. Уравнение описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутой по веществу, для биосферы в целом. В реальных локальных экосистемах равенство прямой и обратной реакции, как правило, нарушено из-за обмена участниками реакции (переноса воды, газов и органики) с другими системами. Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым началом термодинамики на каждом этапе переноса и трансформации энергоносителей обязательно происходит сток части энергии: значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты. 31 Рис. 6. Энергетический бюджет пастбища для крупного рогатого скота. Диаграмма упрощенная, на ней отражены не все потоки энергии. (Из: Remmert, Ecology [New York: Springer-Verlag, 1980], p. 211, с изменениями.) Количества энергии выражены в калориях, 1кал = 4,1840 Дж. В процессе фотосинтеза травяного покрова пастбища (рис. 6) аккумулируется 16700 кал/м2∙сутки. Огромная часть энергии поступает в детритные пищевые цепи в почве. Большое количество энергии на каждой стадии энергетического обмена утрачивается в виде тепла. Все 12686 калорий, которые поступают в почвенные пищевые цепи, также утрачиваются в виде тепла, когда органический материал, в котором заключена эта энергия, полностью разложится. 32 По источнику энергии иногда выделяют 4 типа экосистем. В системах 1 типа единственным источником энергии является солнечная энергия. Это высокогорные леса, расположенные выше уровня облаков. Источником воды в таких системах является конденсат В системах 2-го типа источником энергии также является энергия Солнца, но не только падающая непосредственно на поверхность системы, но и принесенная их других мест в «консервированном» виде – в виде дождей, растворов солей и др. В системах 3-го типа основным источником энергии, по-прежнему, является энергия Солнца, но их существование невозиожно без энергетических затрат со стороны человека, например, сельскохозяйственные экосистемы. В системах 4-го типа количества солнечной энергии и энергии внесенной человеком соизмеримы, например, города. 5. Пищевые (трофические) цепи и сети Пищевые (трофические) цепи в сообществах – это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. Пример длинной пищевой цепи – последовательность животных арктического моря: «микроводоросли (фитопланктон) → мелкие растительноядные ракообразные (зоопланктон) → плотоядные планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие) → рыбы (возможны 2–4 звена последовательности хищных рыб) → тюлени → белый медведь». Пищевые цепи наземных экосистем обычно короче. Пищевые сети образуются потому, что практически любой член какой-либо пищевой цепи одновременно является звеном и в другой пищевой цепи: он потребляет и его потребляют несколько видов других организмов. Так, в пище лугового волка – койота насчитывают до 14 тыс. видов животных и растений. Вероятно, таков же порядок числа видов, участвующих в поедании, разложении и деструкции веществ трупа койота. Типы пищевых цепей: 1. Пастбищные пищевые цепи, или цепи эксплуататоров, начинаются с продуцентов; для таких цепей при переходе с одного трофического уровня на другой характерно увеличение размеров особей при одновременном уменьшении плотности популяций, скорости размножения и продуктивности по биомассе. Например, «трава → полевки → лисица» или «трава → кузнечик → лягушка → цапля → коршун». Это наиболее распространенные цепи питания. 2. Цепи паразитов («яблоня → щитовка → наездник» или «корова → слепень → бактерии → фаги») характеризуются уменьшением размеров особей при увеличении численности, скорости размножения и плотности популяций. 3. Детритные цепи, включающие только редуцентов («опавшие листья → плесневые грибы → бактерии»), сходны с цепями паразитов. Благодаря определенной последовательности пищевых отношений различаются отдельные трофические уровни переноса веществ и энергии в экосистеме, связан- 33 ные с питанием определенной группы организмов. Так, первый трофический уровень во всех экосистемах образуют продуценты – растения; второй – первичные консументы – фитофаги, третий – вторичные консументы – зоофаги и т. д. Многие животные питаются не на одном, а на нескольких трофических уровнях (примером могут служить диеты серой крысы, бурого медведя и человека). Совокупности трофических уровней различных экосистем моделируются с помощью трофических пирамид чисел (численностей), биомасс и энергий (рис. 7). Обычные пирамиды чисел, т.е. отображение числа особей на каждом из трофических уровней данной экосистемы, для пастбищных цепей имеют очень широкое основание (большое число продуцентов) и резкое сужение к конечным консументам. При этом числа «ступеней» различаются не менее чем на 1–3 порядка. Но это справедливо только для травяных сообществ – луговых или степных биоценозов. Картина резко искажается, если рассматривать лесное сообщество (на одном дереве могут кормиться тысячи фитофагов) или если на одном трофическом уровне оказываются такие разные фитофаги, как тля и слон. Это искажение можно преодолеть с помощью пирамиды биомасс. В наземных экосистемах биомасса растений всегда существенно больше биомассы животных, а биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов. Рис. 7. Простая трофическая пирамида (по Ю. Одуму, 1975): А – пирамида чисел; Б – пирамида биомасс; В – пирамида энергий. Данные приведены в расчете на 4 га за год; шкалы логарифмические 34 Для водных, особенно морских экосистем: биомасса животных обычно намного больше биомассы растений. Эта «неправильность» обусловлена тем, что пирамидами биомасс не учитываются продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Главным продуцентом морских экосистем является фитопланктон. В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона. За то время, пока хищные рыбы (а тем более крупные моллюски и киты) накопят свою биомассу, сменится множество поколений фитопланктона, суммарная биомасса которых намного больше. Вот почему универсальным способом выражения трофической структуры экосистем являются пирамиды скоростей образования живого вещества, продуктивности. Их обычно называют пирамидами энергий, имея в виду энергетическое выражение продукции, хотя правильнее было бы говорить о мощности. Человек может участвовать в трофической цепи на любом уровне, начиная со 2-го. С каждого уровня трофической цепи на последующий переходит приблизительно 10 % энергии (правило 10 %). Участие разных групп гетеротрофов в деструкции органики тоже имеет похожую последовательность: около 90 % энергии чистой продукции продуцентов (ЧПП) освобождают микроорганизмы и грибы, менее 10 % – беспозвоночные животные и не более 1% – позвоночные животные – конечные консументы. В соответствии с последней цифрой и сформулировано правило 1 %, согласно которому соотношение конечных консументов и их вклад в деструкцию (< 1 %) является важным условием стабильности биосферы. Другими словами, для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не должна превышать одного процента. Для отдельных экологических систем порог нарушения стационарного состояния эмпирически оценивается на уровне не выше 5 % отклонения от нормального протока энергии (Н.Ф. Реймерс, 1994). Несомненно, что для всей экосферы этот порог должен быть существенно ниже. Следствия, вытекающие из правил функционирования трофических пирамид (правила 10 % и правила 1 %): Следствие 1: трофические цепи не бывают длинными (обычно – 4–5 звеньев); Следствие 2: существует эффект накапливания в трофических цепях вредных веществ, трудновыводимых из живых организмов (тяжелые металлы, ДДТ и др.) 6. Развитие экосистем. Сукцессия Любой биоценоз динамичен, в природных экосистемах происходят постоянные изменения состояния популяций организмов. Многообразие изменений, происходящее в любом сообществе, подразделяется на циклические и поступательные. Циклические изменения сообществ отражают суточную, сезонную и многолетнюю периодичность внешних условий и проявления эндогенных ритмов организмов. 35 Суточные ритмы жизни наблюдаются в пустынях где большие колебания температуры, влажности и др. в течение суток. Сезонные ритмы наиболее выражены в условиях контрастно выраженных лета и зимы. Многолетние ритмы – многолетние изменения в составе биоценозов вслед за периодическими изменениями климата, связанные с изменением общей циркуляции атмосферы (обусловленной ритмами солнечной активности). Поступательные изменения сообществ происходят под действием внешних, длительно действующих в одном направлении факторов. Поступательные изменения приводят, в конечном счете, к смене этого сообщества другим, с иным набором господствующих видов. Различают поступательные изменения:  экзогенетические смены (под действием внешнего фактора);  эндогенетические смены – сукцессия. Дигрессия – вид экзогенетической смены биоценоза, при котором упрощается, обедняется его состав. Пример – превращение степей Нижнего Днепра в сыпучие пески под влиянием неумеренного выпаса скота. Эндогенетические смены – происходят под действием фактора, возникающего внутри самого сообщества и его взаимодействия с абиотической средой. Сукцессия – процесс саморазвития сообщества (от лат. successio – преемственность, последовательность). Причина сукцессии – неполнота биологического круговорота в биоценозе, в результате которого живое меняет вокруг себя среду, изымая из нее ряд веществ и насыщая ее продуктами метаболизма. Результат сукцессии – изменение окружающей среды в неблагоприятную стороны и вытеснение вида популяциями других видов, для которых изменение экологической среды является выгодными (конкуренция). Обычно наблюдается сукцессионная серия – развитие сообществ, в котором виды последовательно сменяют друг друга. Различают виды сукцессий:  первичная сукцессия – постепенное заселение организмами появившейся девственной суши, оголенной материнской породы (отступившее море или ледник, высохшее озеро, песчаные дюны, голые скалы и застывшая лава после вулканического извержения и т.п.);  вторичная сукцессия имеет характер постепенного восстановления свойственного данной местности сообщества после нанесенных повреждений (последствий бури, пожара, вырубки, наводнения, выпаса скота, запуска полей). Возникшая в результате вторичной сукцессии система может существенно отличаться от первоначальной, если изменились некоторые характеристики ландшафта или климатические условия. Все более или менее регулярные изменения экосистем, не выходящие за границы устойчивости экосистемы – ее обычного размера, видового состава, биомассы, продуктивности, характеризуют климаксное состояние экосистемы. 36 Постоянство важнейших экологических параметров обозначают как гомеостаз экосистемы. Устойчивость экосистемы, как правило, тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный составы. Длительное существование биоценоза возможно лишь в том случае, если изменения среды, вызванные деятельностью одних организмов, точно компенсируются деятельностью других. Антропное воздействие на среду – мощнейший фактор изменения условий обитания, он может привести к невозможности существования человека во вновь созданных им же условиях. 7. Видовая структура, стабильность и устойчивость экосистем Под видовой структурой экосистем понимают количество видов, которые образуют экосистему, и соотношение их численностей. Видовое разнообразие исчисляется сотнями и десятками сотен. Оно тем значительнее, чем богаче биотоп экосистемы. Самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы тропических лесов. Богатство видов зависит и от возраста экосистем. В сформировавшихся экосистемах обычно выделяется один или 2–3 вида явно преобладающих по численности особей. Виды, которые явно преобладают по численности особей, – доминантные (от лат. dominans — «господствующий»). Также в экосистемах выделяются виды — эдификаторы (от лат. aedificaator — «строитель»). Это те виды, которые являются образователями среды (ель в еловом лесу наряду с доминантностью имеет высокие эдификаторные свойства). Видовое разнообразие – важное свойство экосистем. Разнообразие обеспечивает дублирование ее устойчивости. Видовую структуру используют для оценки условий местопроизрастания по растениям-индикаторам (лесная зона — кислица, она указывает на условия увлажнения). По растениям-эдификаторам или доминантам и растениям-индикаторам называют экосистемы. Понятия «стабильность» и «устойчивость» в экологии часто рассматриваются как синонимы, и под ними понимают способность экосистем сохранять собственную структуру и функциональные свойства при действии внешних факторов. Более разумно разграничивать эти термины, понимая под устойчивостью – способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к тому) состояние при устранении факторов, которые выводят ее из равновесия. Кроме этого, для более полной характеристики ответной реакции экосистем на внешние факторы разумно использовать в дополнение к названным еще два термина: «упругость» и «пластичность». Упругая система та, которая способна воспринимать существенные воздействия, значительно не изменяя своей структуры и свойств. Но если экосистемы, приведенные в качестве примера, рассмотреть с точки зрения перечисленных выше различий устойчивости и стабильности, то они попадут в различные категории. Устойчивость и стабильность – параметры экосистем, зависящие чаще не 37 так от структуры самих сообществ (их разнообразия), как от биолого-экологических характеристик видов-эдификаторов и доминантов, образующих эти сообщества. Например, высокая стабильность и значительная устойчивость относится к сосновым лесам на бедных песчаных почвах, несмотря на небольшое видовое разнообразие таких экосистем. Это связано прежде всего с тем, что сосна очень пластична, и поэтому на трансформацию условий, в частности уплотнение почв, она реагирует понижением продуктивности и иногда – распадом экосистемы. Но и в последнем случае в силу скудности субстрата питательными веществами и влагой ее подрастающее поколение не встречает серьезной конкуренции со стороны других видов, и экосистема очень быстро снова восстанавливается в том же виде эдифического климакса. Другие параметры устойчивости и стабильности типичны, например, для сосняков на богатых почвах, где они могут смениться еловыми лесами, которые обладают более сильными эдификаторными свойствами. В них, несмотря на большое разнообразие (видовой состав, ярусность, трофическая структура и т. п.), экосистемы сосновых лесов отличаются низкой стабильностью и низкой устойчивостью. Сосна в этом случае выступает как промежуточное звено сукцессионного ряда. Ей удается занять и удержать какое-то время такие местоообитания только в силу каких-нибудь необычных обстоятельств. Например, после пожаров, когда уничтожаются сильные конкуренты (ель или лиственные древесные породы). 8. Агроэкосистемы Агроэкосистемы – особый вид экосистем, создаваемых человеком для получения высокой чистой продукции автотрофов, отличаются от природных экосистем рядом особенностей. 1. В агроэкосистемах резко снижено разнообразие организмов, как растительных, так и животных. Видовое разнообразие разводимых человеком животных ничтожно мало по сравнению с природным видами. 2. Культивируемые человеком виды поддерживаются искусственным отбором в состоянии, неспособном выдерживать борьбу за существование с дикими видами без поддержки человека 3. Агроэкосистемы получают дополнительный поток энергии и веществ кроме солнца и природных веществ. Продукция удаляется из экосистемы и не поступает в цепи питания. Вредители – уничтожаются. В настоящее время около 30% суши занято пахотными землями и пастбищами, деятельность людей по поддержанию этих систем становится глобальным экологическим фактором. Условия идеальной агроэкосистемы: высокопродуктивность и стабильность с экологической точки зрения несовместимы. Замена природного круговорота ве- 38 ществ в цепях питания искусственным отчуждением урожая и вносом минеральных удобрений обрывает множество цепей питания, дисбалансирует сообщество. Дисбаланс экологических сообществ в агроценозах приводит к экологическим взрывам (чрезмерное увеличение численности отдельных организмов). Например – фитофтора на картофеле, колорадский жук в Европе. Искусственная регуляция численности вредителей – необходимое экономическое условие содержания агроэкосистем. Однако, стабилизация численности яблоневой плодожорки на уровне, когда гибнет большая часть урожая, не угрожает яблоне, как виду, но с хозяйственной точки зрения недопустимо. Применение мощных ядохимикатов, гербицидов, пестицидов и т.д. приводит к «бумеранг–эффекту» – часто еще более мощной вспышке нашествия вредителей в результате подавления, уничтожения не только самого вредителя, но и его естественных врагов. Лекция 4 Законы экологии Все законы в экологии опираются на фундаментальные законы диалектики, естествознания, их можно рассматривать как их частные приложения и следствия. Закон внутреннего динамического равновесия (ЗВДР) – основной закон функционирования Биосферы – вещество, энергия, динамические качества природных экосистем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят. Рассматриваемые далее «законы экологии» так или иначе отражают различные стороны закона внутреннего динамического равновесия. 1. Закон всеобщей связи вещей и явлений – принцип целостности В живой природе всеобщность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном (физико-химическом) единстве жизни, живые системы имеют наиболее разнообразные, разветвленные и интенсивные превращения вещества, энергии и информации. Они образуют сложные экологические цепи и сети взаимодействий (пищевые, материально-энергетические, информационные). 39 Глобальные потоки энергии и круговороты вещества, ветры, океанские течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов – все это делает биосферу единой коммуникативной системой. Говоря словами известного американского эколога – популяризатора экологии Б. Коммонера («законы экологии Коммонера», 1974), первый закон экологии звучит как «все связано со всем», и означает, что возмущения в одной части сложной системы (например, в биосфере) неизбежно вызывают изменения в других ее частях, которые ведут к нейтрализации возмущения или при превышении его порога к еще большей деформации системы. В биосфере природа и общество находятся в одной сети системных взаимодействий. Функционирование больших систем («суперсистем») подчиняется закону больших чисел, законам сохранения и принципу Ле Шателье. 2. Закон больших чисел. Закон больших чисел гласит, что совокупное действие множества случайных факторов приводит к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер. Случайное, стохастическое поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает определенную температуру и давление. Сочетание большого числа случайных актов спроса и предложения формирует относительно постоянный товарооборот и ценообразование свободного рынка. Взаимодействие множества организмов разных видов между собой и окружающей их средой осуществляется так, что сообщество и окружающая его среда (т.е. экологическая система) остаются пригодными для существования всех организмов, входящих в это сообщество. 3. Принцип Ле Шателье Принцип Ле Шателье – при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается (эмпирически выведен для условий химического равновесия). Принцип Ле Шателье впоследствии стал применяться к поведению разных динамических систем:  на биологическом уровне он реализуется в виде способности к авторегуляции и поддержанию гомеостаза, т.е. относительного постоянства важных параметров состояния организма или сообщества организмов;  в масштабе биосферы осуществление этого принципа основано на глобальной биотической регуляции окружающей среды. 40 4. Закон сохранения массы вещества Фундаментальные законы сохранения, в частности сохранения массы вещества, приложимы к функционированию биологических систем. Как закон Б. Коммонера этот закон одновременно является и одним из важных требований рационального природопользования: «все должно куда-то деваться». В отличие от человеческого производства и быта живая природа практически безотходна – в природе нет мусора. Все опавшие листья, засохшие стебли, трупы и экскременты животных становятся пищей для других организмов – насекомых, червей, грибов, бактерий, разлагаются до простых соединений и в таком виде вновь потребляются растениями. В целом для биосферы при количественном балансе масс всегда соблюдается равенство скоростей синтеза и распада. Это означает высокую степень замкнутости круговорота веществ в биосфере. Деятельность человека привела к нарушению замкнутости круговоротов биосферы и изменениям химической среды на поверхности планеты:  появились необычайно высокие концентрации многих элементов и синтетических соединений, чуждых химизму живых организмов (ксенобиотиков);  подавляющая масса антропогенных загрязнителей доступна для различных форм организмов и оказывает свое вредное действие;  все, что остается в золе, шлаках и шламах, все, что накапливается в очистных устройствах — фильтрах, сорбентах, осадках, тоже должно куда-то деваться;  существующие способы изоляции конечных продуктов не гарантируют от загрязнения, а лишь растягивают его во времени, отодвигая в будущее. 5. Закон ограниченности ресурсов Антропогенное давление на природу имеет место при эксплуатации природных ресурсов и нарушении при этом экологических систем. Природопользование стоит очень дорого – намного больше обычной денежной стоимости потребляемых ресурсов. В первую очередь потому, что в экономике природы, как и в экономике человека, не существует бесплатных ресурсов: пространство, энергия, солнечный свет, вода, кислород, какими бы неисчерпаемыми ни казались их запасы на Земле, неукоснительно оплачиваются любой расходующей их системой, оплачиваются полнотой и скоростью возврата, оборота ценностей, замкнутостью материальных круговоротов — биогенных элементов, энергоносителей, пищи, денег, здоровья. Поэтому имеет смысл говорить о действии закона ограниченности ресурсов, в формулировке Б. Коммонера – «ничто не дается даром». Аргументируя этот закон экологии, Б. Коммонер писал, что глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничто не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улуч- 41 шения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что отсрочка очень затянулась. 6. Закон падения природно-ресурсного потенциала С законом ограниченности ресурсов тесно связан закон падения природноресурсного потенциала. Сущность этого закона состоит в том, что в рамках одного способа производства и одного типа технологий природные ресурсы делаются все менее доступными и требуют увеличения затрат труда и энергии на их извлечение и транспортировку. Наиболее ярко этот закон проявляется на примере минеральных ресурсов, но приложим в конечном счете ко всем природным ресурсам. 7. Следствия законов сохранения, всеобщей связи и принципа Ле Шателье Закон развития системы за счет окружающей ее среды: любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. К этому положению примыкает сформулированный В.И. Вернадским закон константности количества живого вещества: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Это означает, что существенное увеличение числа или массы каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа или массы других организмов. Правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Давление жизни в каждом случае ограничено:  емкостью среды;  конечными количествами пространства и пищи;  межвидовыми отношениями;  взаимоприспособленностью различных групп организмов. Это ограничение иногда обозначают как закон сопротивления среды жизни Ч. Дарвина. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий жизни, что собственно совпадает с понятием экологической ниши. 42 Закон оптимальности – тесно связан с другим, одним из основополагающих принципов экологии – законом толерантности, или правилом В. Шелфорда: благополучие популяции или вида организмов в определенной среде зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный диапазон выносливости, или толерантности (от лат. tolerantia – терпение) организма. Совмещение этих зон толерантности образует экологическое пространство существования популяции или вида – его экологическую нишу. Согласно принципу Ле Шателье любое частное изменение в сложной системе неизбежно вызывает цепь реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей. Взаимодействия между компонентами биосистем при их изменении, как правило, существенно нелинейны. Поэтому изменение одного из параметров системы может быть погашено в следующем звене цепи реакций или, наоборот, вызвать сильные отклонения других параметров или всей системы в целом. В соответствии с этим любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах; она имеет определенный размер и продолжительность жизни, соответствующие выполняемой ею функции. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит обозначил как законы экодинамики:  закон сохранения структуры биосферы;  закон стремления к климаксу. Климакс – состояние экологической зрелости и равновесности экосистем. По отношению к развитию отдельных экосистем во времени эта закономерность реализуется в виде определенной последовательности смены биоценозов – сукцессии. В 1974 году американский эколог Барри Коммонер предложил совокупность правил современной экологии: – все связано со всем; – все должно куда-то деваться; – ничто не дается даром; – природа знает лучше. Несмотря на парадоксальную форму выражения, указанные законы довольно точно отражают сущность проблемы взаимодействия человеческого общества и окружающей его природной среды. Начиная с 80-х годов XX века стало очевидно, что совокупная антропогенная нагрузка превысила утилизационную способность природных сред и началось их неуклонное разрушение. В общеисторическом плане возникла необходимость перехода от концепции покорения природы к природоохранной цивилизации, обеспечивающей экономический динамизм при сохранении устойчивости природных систем. 43 Рассмотрим сущность указанных законов. 1. Все связано со всем. Все живое на Земле подчинено космическим силам, одному потоку солнечной энергии, его ритмам. Глобальные круговороты веществ, океанские течения, миграции птиц и рыб, деятельность человека – все это придает биосфере признаки единой системы. 2. Все должно куда-то деваться. Природа сама по себе безотходна. Все опавшие листья, трупы животных становятся пищей для других организмов, которые разлагают их до простых соединений, и они затем вновь потребляются растениями. При этом происходит круговорот веществ в биосфере. Человек изменил химический состав воды, воздуха и почвы как увеличением концентрации существующих в природе веществ, так и путем привнесения ксенобиотиков (веществ, чуждых природе). Антропогенному воздействию природа противостоит либо разбавлением, либо донными отложениями. Но эти загрязнения остаются в пределах биосферы, могут быть доступными различным формам организмов и могут продолжать оказывать свое вредное воздействие. При этом существенно нарушается замкнутость круговорота веществ и действует главный постулат, имеющий большое практическое значение: закон неустранимости отходов, или побочных воздействий производства. Этот закон исключает принципиальную возможность безотходного производства. 3. Ничто не дается даром. Все большие системы эволюционируют в сторону усложнения и совершенствования организмов. При этом любое приобретение в эволюции сопровождается утратой какой-то части прежнего достоинства и возникновением новых, более сложных проблем. Отсюда следуют: – закон необратимости эволюции (от простого к сложному), – правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации систем темпы эволюции возрастают. Не существует бесплатных ресурсов: энергия, солнечный свет, вода, кислород, какими бы “неисчерпаемыми” ни казались их запасы на Земле, оплачиваются расходующей их системой. 4. Природа знает лучше. Возникла наука – бионика – наука о применении принципов действия живых систем и биологических процессов для решения инженерных задач. Бионика переводит гениальные находки и идеи природы на язык человеческой техники и решает их другими средствами «с другого конца». Сопоставляются полные технико-экономические параметры в парах: автомобиль–лошадь, компьютер–человеческий мозг, промышленный катализатор–фермент, гидравлический компрессор–сердце и т. д. Позднее Б. Коммонер внес поправку в формулировку закона: «Природа знает лучше, что делать, а люди должны решить, как сделать это возможно лучше». 44 Гете сформулировал еще один закон, задолго до появления термина «Экология»: – «Природа не признает шуток; она всегда правдива, всегда серьезна, всегда строга; ошибки же и заблуждения исходят от людей”. Вторая часть гетевского определения напоминает коммонеровское: «Природа знает лучше». В заключение попробуем сопоставить потенциалы двух систем: природы и человеческого общества. В настоящее время математический расчет параметров и процессов, идущих в биосфере требует большего времени, чем весь период существования Земли как твердого тела. Потенциально-осуществимое разнообразие природы оценивается числами от 1050 до 101000. Люди создали множество вещей, которых нет в природе. Технический прогресс достиг небывалых высот. Но его побочным продуктом стала человеческая самонадеянность, убеждение в превосходстве над природой, идеология природопокорительства. Многое из того, что создал человек, природа и вправду не имеет, но не потому, что не могла создать, а потому, что не посчитала нужным или испробовала и не стала развивать, отказалась. Так было с колесом, электродвигателем, радиосвязью, ядерной энергией. Человеческая техника превзошла возможности живых организмов по таким характеристикам, как прочность, мощность, концентрация энергии, скорость движения, дальность передачи сигналов и т.п. Но если сопоставить полные «технико-экономические» параметры в таких гомологических парах: автомобиль – лошадь; подводная лодка – дельфин; солнечная батарея – лист растения; гидравлический компрессор – сердце; компьютер – человеческий мозг, технические устройства намного уступают биологическим системам по изобретательности использования законов природы, по принципам оригинальности, совершенству и красоте конструктивных решений, по экономичности и эффективности, по здравому смыслу. Превосходство живого в полной мере относится и к экологическим системам. Принцип «природа знает лучше» (это также один из законов экологии Б. Коммонера) определяет прежде всего то, что может и что не должно иметь места в биосфере. Возможность и право такого знания выработаны на протяжении миллиардов лет в бесчисленном чередовании актов отбора, проб и ошибок, в тщательнейшей подгонке каждого вещества, каждой новой органической формы ко всему комплексу условий существования, к огромному множеству других веществ и форм. Все в природе – от простых молекул до высших животных и человека – должно было пройти очень жестокий конкурс на вакансию в биосфере. При всем богатстве биологического разнообразия оно во много раз меньше, чем в принципе могло бы быть судя по числу возможных молекулярных сочетаний. На всех уровнях биологической организации реализована лишь ничтожная их часть. Поэтому каждое отобранное эволюцией живое существо в высшей степени уникально. 45 Главный критерий эволюционного отбора – вписанность в глобальный биотический круговорот, увеличение его эффективности, заполненность всех экологических ниш, исключение «мертвых зон» в сети природных взаимосвязей. У любого вещества, выработанного организмами, должен существовать разлагающий его фермент. И все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. С каждым биологическим видом, который нарушал этот закон, уменьшая замкнутость биотического круговорота, эволюция рано или поздно расставалась, находя организмы-заместители, способные восстановить замкнутость экологических циклов. Индустриальная цивилизация человеческого общества очень быстро и грубо нарушает замкнутость биотического круговорота в глобальном масштабе, что не может остаться безнаказанным. Лекция 5 Антропогенное воздействие человека на окружающую природную среду 1. Воздействие хозяйственной деятельности человека на природу на разных стадиях развития человеческого общества Историческое развитие антропогенного воздействия на природу связано с историческим развитием экологической ниши человека и техногенеза – порождения техники и технологий, последнего по времени этапа земной эволюции, вносящего в биосферу вещества, силы и процессы, которые изменяют и нарушают ее равновесное функционирование и замкнутость биотического круговорота. Человечество находилось в нишах первобытных собирателей и рыболовов с минимальным биологическим энергопотреблением 200 тысяч лет; в нишах примитивного земледелия, скотоводства и охоты с энергопотреблением в 2 раза большим – 10 тысяч лет; в нише традиционного земледелия с рабочим скотом при 5-кратном потреблении энергии – 1000 лет; в нише индустриального мира с 20-кратным энергопотреблением – 100 лет. Это ускорение смены качественных этапов прогресса и ускорение роста энергетики относятся к главным причинам экологического кризиса. Приведенная здесь последовательность(рис. 8) – ряд экологических кризисов (кризисов ресурсов) и следующих за ними экологических революций. Наиболее важны из них кризисы древнего собирательства и промысла (первобытные охотники сыграли решающую роль в вымирании таких крупных млекопитающих, как мамонт, шерстистый носорог, пещерный медведь, пещерный лев, тарпан и некоторые др.), обусловившие переход к производящему хозяйству, и кризис продуцентов, т.е. исчерпание наиболее доступных ресурсов древесины для топлива и строительства, а также достижение пределов продуктивности домашинного 46 сельского хозяйства. Эти обстоятельства стали одним из стимулов промышленной революции и развития индустриальной цивилизации, приведшей к современному кризису. Каждый из этих этапов сопровождался существенным расширением экологической ниши человечества. Современный экологический кризис назван кризисом редуцентов потому, что вся совокупность редуцентов биосферы уже не справляется с деструкцией колоссальной массы антропогенных загрязнений среды. Это сочетается с дефицитом и угрозой исчерпания многих минеральных ресурсов (табл. 2). Рис. 8. Экологические кризисы и революции в истории цивилизации. Масштаб условный. О – биотехническая революция (Н.Ф. Реймерс, 1992) 47 Таблица 2 Рост техносферы и потери биосферы в XX веке Показатель Начало века Конец века Валовый мировой продукт, млрд долл. /год 60 25000 Энергетическая мощность техносферы, ТВт 1 14 Численность населения, млрд человек 1,6 6,0 3 Потребление пресной воды, км /год 360 5000 Потребление первичной продукции биоты, % 1 12 2 Площадь лесов, млн км 57,5 49,0 2 Рост площади пустынь, млн км – 1,7 Сокращение числа видов, % – 20 Площадь суши, занятая техносферой, % 17 30 Риск техногенных поражений людей, % 0,5 2,5 Техногенез, как и его инициатор – человек, стремится к занятию всевозможных экологических ниш и поэтому оказывает сильное влияние на экологию биосферы, вытесняя природные экологические системы и процессы. Смена этапов техногенеза, основных типов технологий человека происходит неизмеримо быстрее, чем сменяются «технологии» биотического круговорота в эволюции биосферы. Существует оценка разности этих скоростей – 5–8 порядков. Поэтому биологическая эволюция не может (не успевает) приспособиться к техническому прогрессу. 2. Виды воздействия человека на природу Воздействие человека на природу может состоять в следующем: 1. Изъятие из природы ее отдельных компонентов, использование природных ресурсов. 2. Выброс в природную среду отходов хозяйственной деятельности, загрязнение этой среды. 3. Преобразование природных комплексов в хозяйственных целях. Часто наблюдается сочетание нескольких видов воздействия человека на природную среду. Различают также:  прямое воздействие – непосредственное действие в отношении какихлибо компонентов природы (срубили лес; распахали степь – стало поле; освоили целину – получили урожай);  косвенное воздействие – следствие прямого воздействия (в результате почвы обедняются, из-за распашки происходит эрозия почвы, степь превращается в пустыню);  комбинированное воздействие – комбинация этих двух форм. Обычно любое воздействие на природу при тщательном рассмотрении оказывается комбинированным. 48 Масштабы прямого воздействия можно прогнозировать заранее и разработать меры по возможной компенсации этого воздействия. Характер и масштабы косвенного воздействия оценить заранее очень сложно, а по масштабам оно обычно намного превышает прямое и поэтому представляет большую опасность. 3. Природные ресурсы Природные ресурсы – объекты, условия и процессы природы, используемые (или которые могут быть использованы) человеческим обществом для удовлетворения материальных, научных и культурных потребностей общества. Природные ресурсы Исчерпаемые Неисчерпаемые невозобновимые относительно возобновимые возобновимые климатические космические водные Невозобновимые ресурсы – не восстанавливаются или восстанавливаются крайне медленно (большинство полезных ископаемых). Необходимо рациональное использование невозобновимых ресурсов и поиск их замены. Относительно возобновимые ресурсы – способные восстанавливаться в течение определенного промежутка времени (лесные ресурсы, почвы). Возобновимые ресурсы – достаточно быстро восстанавливаются (животный мир, большинство растений, минеральные соли). Если темпы использования возобновимых и относительно возобновимых ресурсов превышают скорость их восстановления, они могут быть утрачены. Климатические ресурсы – воздух, тепло, влага атмосферы, энергия ветра, и т.д. Космические ресурсы – солнечный свет, энергия приливов – отливов, внутриземное тепло. Человек не влияя на количество неисчерпаемых ресурсов может оказать заметное воздействие на их качество (прозрачность атмосферы влияет на количество поступающей солнечной энергии, загрязнение воды и пр.). Природные ресурсы делятся также на заменимые и незаменимые:  заменимые – нефть, газ и т.д. – заменимы в определенных пределах;  незаменимые – солнечный свет, воздух вода, генетические ресурсы. 49 4. Виды загрязнения человеком природной среды Потребление ресурсов неизбежно сопровождается возвратом в оержающюю среду веществ и энергии. Загрязнение – привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физических, химических, биологических агентов, а также превышение присутствующими в среде агентами своего естественного уровня. Классификация загрязнений: 1. По масштабам распространения – локальные, региональные, глобальные. Для атмосферы локальными считаются загрязнения, оказывающие влияние на внешнюю среду в радиусе 80 км, региональными – 90–800 км, глобальными – более 800 км. 2. По продолжительности воздействия – кратковременные и долговременные. Кратковременные загрязнения – единичные выбросы в атмосферу при взрывах, утечка газа, нефтепродуктов. Долговременные загрязнения – постоянно или длительно действующие источники загрязнения (промышленные предприятия, ТЭС, гидросооружения и т.д.), могут привести к значительным изменениям компонентов внешней среды. 3. По характеру воздействия – физические, биологические, химические. Физические загрязнения – тепловой нагрев, шум, электромагнитное и радиоактивное излучения (изменяет непосредственные физические характеристики среды). Химические загрязнения – оксиды серы, азота, углеводороды, тяжелые металлы, фтористые соединения и другие химические вещества – изменяющие химический состав атмосферы, гидросферы, почвы. Биологические загрязнения – нехарактерные и нежелательные для данной экосистемы живые организмы (вирусы, бактерии и др. – например колорадский жук). 4. По источнику:  естественные – возникающие в результате деятельности бактерий, стихийных бедствий, естественных геологических процессов;  антропогенные – источниками которых является энергетика, транспорт, сельское хозяйство, коммунально-бытовые системы. Естественные загрязнения происходят в результате протекания природных процессов (извержения вулканов и т.д.). Естественное загрязнение биосфера обычно способна преодолеть за счет процессов саморегуляции и самовосстановления (самоочищения). Искусственные загрязнения (антропогенные) – результат хозяйственной деятельности человека, их биосфера полностью обычно переработать не может в силу нескольких причин:  количество антропогенных загрязнений очень велико;  среди антропогенных загрязнений присутствуют вещества, не характерные 50 для природы в ее нормальном состоянии – ксенобиотики (большинство синтетических веществ). Ксенобиотики не вписываются в естественный круговорот веществ и не могут быть переработаны природой;  многие антропогенные загрязнители подавляют естественные процессы самоочищения и самовосстановления, в т.ч. многие ксенобиотики, ПАВ и т.д. Поскольку в результате хозяйственной деятельности человека образование загрязнителей объективно неизбежно, основной практической задачей является сведение масштабов загрязнений к минимуму. 5. Устойчивость загрязнений в окружающей среде Загрязнения в природе могут накапливаться в неизменном виде, а могут быть подвергнуты трансформации – изменению. Виды трансформации загрязнителей под воздействием химических и физических факторов:  образование более простых веществ;  образование более сложных веществ. Выделяют трансформацию загрязнений под воздействием биологических факторов (биотрансформацию):  биодеградацию;  биоусиление;  биоконцентрирование. Трансформация загрязнений в окружающей среде – превращение химических соединений под влиянием химических, физических и биологических факторов – например, в верхних слоях атмосферы под действием солнечного света фреоны разлагаются с выделением атомарного хлора; сернистые газы (SO2 и SO3) во влажном воздухе образуют сернистую и серную кислоту (кислотный дождь) и т.д. Биотрансформация – происходит в процессе продвижения загрязнений по пищевым цепям, и приводят к биодеградации, биоусилению и биоаккумуляции исходных веществ. Биодеградация – разложение (например, биоразлагаемые органические вещества под воздействием аэробных бактерий превращаются в СО2, Н2О, фосфаты и др.) Биоусиление – процесс превращения исходного загрязнения в более опасное вещество (под воздействием бактерий металлическая ртуть превращается в метил- или этил-ртуть, которые гораздо более опасны). Биоаккумуляция – постепенное накопление организмами вредных веществ в ходе их обитания в загрязненной среде за счет неполного выделения загрязнителей из организма. Концентрация биоаккумулируемых веществ возрастает по мере продвижения по пищевым цепям (ДДТ, ртуть и т.д.) 51 6. Нормирование загрязнений окружающей среды Из-за неизбежности загрязнения окружающей среды в ходе хозяйственной деятельности человека возникает проблема нормирования загрязнений в соответствии с их опасностью для живого. Разработаны три вида нормативов – санитарно-гигиенические, производственные и экологические. Санитарно-гигиенические нормативы устанавливают пределы вредного воздействия, еще безопасного для человека. Для загрязняющих веществ установлены ПДК – предельно-допустимые концентрации, для физического загрязнения – установлены предельно-допустимые дозы ПДД и предельно-допустимые уровни вредных агентов ПДУ. ПДК – наибольшая концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде, почве, пище), которая при более или менее длительном действии на организм – контакте, вдыхании, приеме внутрь – не оказывает влияния на здоровье и не вызывает отсроченных эффектов (не сказывается на потомстве и т.д.) Поскольку эффект вредного воздействия зависит от многих факторов (длительности действия, особенностей обстановки, чувствительности реципиентов, и др.), существуют различные виды ПДК – для различных сред, условий и продолжительности воздействия: Величины ПДК устанавливают в зависимости от токсичности веществ. Токсичность – ядовитость, способность вещества оказывать вредное воздействие на живые организмы. Токсичность определяют по летальной дозе 50 (ЛД50) – доза вещества, вызывающая гибель 50% подопытных животных. Основываясь на токсичности, а также на особенностях поведения вещества в среде вырабатывают соответствующие гигиенические нормативы: ПДК – предельно-допустимая концентрация – ПДК – устанавливается с учетом ЛД50, устойчивости загрязнителя в окружающей среде, и с некоторым запасом. Для загрязняющих веществ в атмосфере принято насколько видов ПДК: ПДКмр – максимально разовая концентрация вещества (в воздухе населенных мест, мг/м3). Если концентрация вещества не превышает ПДКм ,то при вдыхании в течение 20 минут оно не должна вызывать рефлекторных реакций со стороны организма человека; ПДКсс – предельно допустимая среднесуточная концентрация токсичного вещества в воздухе населенных мест, мг/м3. Если концентрация вещества не превышает ПДКсс , то оно не должно оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неограниченно продолжительном вдыхании; ПДКр.з – предельно допустимая концентрация вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м3. Эта концентрация при ежедневной (кроме выходных дней) работе 52 в пределах 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не должна вызывать в состоянии здоровья настоящего и последующего поколений заболеваний или отклонений, обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы. Пригодность воды для питьевого потребления оценивают по санитарно-гигиеническим параметрам: ПДКв. – предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования, мг/л. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного влияния на органы человека в течение всей его жизни, а также на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшатъ гигиенические условия водопользования (табл. 10); ПДКв.р. – предельно допустимая концентрация вещества в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей, мг/л. Интегральные показатели для воды: БПК – биологическая потребность в кислороде – количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (исключая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 20, 120 сут.), мг О2/л воды (например, БПК5 – за 5 сут.); ХПК – химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг О2/л воды. По отношению БПКП/ХПК судят об эффективности биохимического окисления веществ. Для оценки качества почв применяют ПДКп. – предельно допустимая концентрация вещества в пахотном слое почвы, мг/кг. Эта концентрация не должна вызывать прямого и косвенного отрицательного влияния на здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы; ПДКп.р. (ДОК – допустимая ориентировочная концентрация) – предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное количество) вещества в продуктах питания, мг/кг. На основе величин ЛД50 и ПДК вещества разделяют на 4 класса опасности (самые опасные относятся к 1 классу). Основным недостатком при использовании ПДК является невозможность учета кумуляции загрязнений – суммирования вредных эффектов от различных загрязнителей. При этом различают:  аддитивное воздействие – если общий эффект равен сумме эффектов всех загрязнителей в отдельности (например – табачный дым в помещении с уже загрязненным воздухом);  антагонистическое воздействие – если общий эффект меньше суммы отдельных эффектов от загрязнителей (продукт реакции: аммиак + хлороводо- 53 род → хлорид аммония – менее токсичен, чем оба исходных вещества по отдельности);  синергетическое воздействие – если общий эффект больше суммы эффектов (продукт реакции: пропилен + оксиды азота + свет → n-ацетнитрил – самый токсичный компонент фотохимического смога). В настоящее время установлены ПДК для нескольких тысяч индивидуальных веществ в разных средах и для разных реципиентов. ПДК не являются международным стандартом и могут существенно различаться в разных странах. Существуют серьезные сомнения в самой пригодности ПДК как основы экологического нормирования, через нормативы допустимых выбросов – НДВ и нормативы допустимых сбросов – НДС, основанные на следующем:  далеко не для всех реальных загрязнителей установлены ПДК;  нет ПДК для множества сочетаний различных загрязнителей, возможные взаимодействия между загрязнителями, образование вторичных продуктов и совмещенные эффекты не позволяют рассчитать «комплексы» нормативов допустимых выбросов;  ПДК веществ для некоторых ценных растений и животных могут быть ниже чем для человека, что порождает проблему выбора;  расчет большинства нормативов допустимых выбросов делается на основании максимально-разовых ПДК, которые могут быть на порядок выше среднесуточных ПДК. Производственные нормативы ограничивают поступление загрязнений в окружающую среду с тем, чтобы обеспечить непревышение санитарно-гигиенических нормативов. Такими нормативами являются: нормативы допустимых или временно разрешенных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и сбросы в водоемы, а также нормативы размещения отходов. Такие нормативы устанавливают предприятиям и организациям. Соблюдение экологических нормативов обеспечивают сохранение экологических систем. Основной критерий экологической безопасности территории – техногенная нагрузка на территорию (природоемкость расположенных на ней производств) не должна превышать экологическую техноемкость территории (ЭТТ) или предельно-допустимую техногенную нагрузку (ПДТН) Иными словами, одна из задач промышленной экологии – соизмерение природных и производственных потенциалов территории. Сама по себе процедура соизмерения состоит в определении отношения фактической техногенной нагрузки для оцениваемой территории за год к суммарной ЭТТ за год. Благополучный (меньше 1) показатель для большой территории не означает отсутствия экологических проблем – могут быть локальные участки или зоны, в которых техногенная нагрузка выше ЭТТ. На территории же с большим превышением ЭТТ возможно существование зон высокой опасности. 54 ЭТТ и ПДТН – универсальные территориальные экологические нормативы, предназначенные для регламентации хозяйственной деятельности. Нормативы ЭТТ и ПДТН рассчитываются по 3-м компонентам среды обитания – воздуху, воде и земле, выражаются в единицах массовой техногенной нагрузки (условных тонн/год) и зависят от: 1. Объемов основных природных резервуаров:  воздушного бассейна;  совокупности водоемов и водотоков;  земельных площадей и запасов почв;  биомассы флоры и фауны. 2. Мощности потоков биогеохимического круговорота, обновляющих содержимое этих резервуаров:  скорости местного массообмена и газообмена;  скорости пополнения объемов чистой воды;  скорости процессов почвообразования и продуктивности биоты. ЭТТ и ПДТН разработаны учеными-экологами в качестве универсальных территориальных экологических нормативов, предназначенных для регламентации хозяйственной деятельности. Но законодательно они не утверждены как нормативы. 7. Контроль состояния окружающей среды Важнейшей частью экологического контроля, который осуществляет государство, является мониторинг (от лат. «монитор» – напоминающий, надзирающий) окружающей среды, под которым понимают систему наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды. Основной принцип мониторинга – непрерывное слежение. Главная цель мониторинга – наблюдение за состоянием окружающей среды и уровнем ее загрязнения. Не менее важно своевременно оценить и последствия антропогенного воздействия на биоту, экосистемы и здоровье человека, а также эффективность природоохранных мероприятий. Но мониторинг – это не только слежение и оценка фактов, но и экспериментальное моделирование, прогноз и рекомендации по управлению состоянием окружающей среды. По территориальному охвату различают три ступени, или блока, современного мониторинга – локальный (биоэкологический, санитарногигиенический), региональный (геосистемный, природно-хозяйственный) и глобальный (биосферный, фоновый). В программу биоэкологического (санитарно-гигиенического) мониторинга, проводимого на локальном уровне, входят наблюдения за изменением в различных сферах содержания загрязняющих веществ, обладающих канцерогенными, мутагенными и иными неблагоприятными свойствами. Постоянным наблюдениям подвергаются следующие загрязняющие вещества, наиболее опасные для природных экосистем и человека: 55 – в поверхностных водах – радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды, бенз(а)пирен, рН, минерализация, азот, нефтепродукты, фенолы, фосфор; – в атмосферном воздухе – оксиды углерода, азота, диоксид серы, озон, пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен, азот, фосфор, углеводороды; – в биоте – тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды, бенз(а)пирен, азот, фосфор. Тщательно исследуют и такие вредные физические воздействия, как радиация, шум, вибрация, электромагнитные поля и др. Пункты экологических наблюдений располагают в местах концентрации населения и районах интенсивной его деятельности с таким расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи человека (трофические и др.) с естественными и искусственными компонентами окружающей среды. Это могут быть территории промышленно-энергетических центров, атомных электростанций, нефтепромыслов, агроэкосистем с интенсивным применением ядохимикатов и др. В составе биоэкологического (санитарно-гигиенического) мониторинга большое внимание уделяют наблюдениям за ростом врожденных дефектов в популяциях человека и динамикой генетических последствий загрязнения биосферы, в первую очередь мутагенами. Экологическую опасность их трудно переоценить, ибо «мутагены поражают самое драгоценное, что создано эволюцией живой материи, – генетическую программу человека, а также генофонды популяций всех видов животных, растений, бактерий и вирусов, населяющих биосферу». На региональном (геосистемном) уровне наблюдения ведут за состоянием экосистем крупных природно-территориальных комплексов (бассейнов рек, лесных экосистем, агроэкосистем и т. д.), где имеются отличия параметров от базового фона ввиду антропогенных воздействий. Изучают трофические связи (биологические круговороты) и их нарушения, оценивают возможность использования ресурсов природных экосистем в конкретных видах деятельности, анализируют характер и количественные показатели антропогенных воздействий на окружающую среду в этих регионах. Например, ведут контроль за популяционным состоянием исчезающих видов животных в пределах какого-либо региона и т. д. Обеспечить наблюдение, контроль и прогноз возможных изменений в биосфере в целом – задача глобального мониторинга. Его называют еще фоновым, или биосферным. Объектами глобального мониторинга являются атмосфера, гидросфера, растительный и животный мир и биосфера в целом как среда жизни всего человечества. Разработка и координация глобального мониторинга окружающей природной среды осуществляется в рамках ЮНЕП (орган ООН) и Всемирной метеорологической организации (ВМО). 56 8. Экологический риск Риск – понятие вероятностное, означает вероятность того, что какое-либо неблагоприятное событие произойдет в течение определенного промежутка времени. Под экологическим риском понимают вероятностную меру опасности причинения вреда окружающей среде в виде возможных потерь за определенное время. Судя по данным о загрязнении человеком окружающей среды вся наша планета стала зоной экологического риска. Этот экологический риск не всегда очевиден, поскольку для здоровья и жизни человека существует множество других источников риска (существует множество ситуаций различного уровня, когда стремление к удовлетворению индивидуальной или общественной смысл сопоставить его с другими видами социального риска. Вред окружающей среде при различных антропогенных и стихийных воздействиях очевидно неизбежен, однако он должен быть сведен до минимума и быть экономически оправданным. Любые хозяйственные или иные решения должны приниматься с таким расчетом, чтобы не превышать пределы вредного воздействия на природную среду. Установить эти пределы очень трудно, поскольку пороги воздействия многих антропогенных и природных факторов неизвестны. Поэтому расчеты экологического риска должны быть вероятностными и многовариантными, с выделением риска для здоровья человека и природной среды. Различают три главные составляющие экологического риска: – оценку состояния здоровья и возможного числа жертв; – оценку состояния биоты (в первую очередь фотосинтезирующих организмов) по биологическим интегральным показателям; – оценку воздействия загрязняющих веществ, техногенных аварий и стихийных бедствий на человека и природную среду. Учитывают следующие правила допустимого экологического риска при антропогенных воздействиях: 1) неизбежность потерь в природной среде; 2) минимальность потерь в природной среде; 3) реальная возможность восстановления потерь в природной среде; 4) отсутствие вреда здоровью человека и необратимых изменений в природной среде; 5) соразмерность экологического вреда и экономического эффекта. Любое превышение пределов допустимого экологического риска на отдельных производствах должно пресекаться по закону. С этой целью ограничивают или приостанавливают деятельность экологически опасных производств, а на стадиях принятия решений допустимый экологический риск оценивают с помощью государственной экологической экспертизы и, в случае его превышения, представленные для согласования материалы отклоняют. Фактор экологического риска существует на любых производствах, независимо 57 от мест их расположения. Однако существуют регионы, где в сравнении с более экологически благополучными районами, во много раз превышены вероятность проявления негативных изменений в экосистемах, а также вероятность истощения природно-ресурсного потенциала и, как следствие, величины риска потери здоровья и жизни для человека. Эти регионы получили название зон повышенного экологического риска. В пределах регионов повышенного экологического риска выделяют зоны: 1) хронического загрязнения окружающей среды; 2) повышенной экологической опасности; 3) чрезвычайной экологической ситуации и 4) экологического бедствия. К первым двум зонам относят территории регионов, городов, районов с повышенным уровнем антропогенной нагрузки, снижением плодородия почв, дефицитом пресной воды и др. К зонам чрезвычайной экологической ситуации относят территории, на которых в результате воздействия негативных антропогенных факторов происходят устойчивые отрицательные изменения окружающей среды, угрожающие здоровью населения, состоянию Зоной экологического бедствия указами Президента России или постановлениями Правительства РФ на основе государственной экологической экспертизы объявляется часть территории Российской Федерации, на которой произошли необратимые изменения окружающей среды, повлекшие за собой существенное ухудшение здоровья населения, разрушение естественных экосистем, деградацию флоры и фауны. Оценка экологического риска представляет собой произведение 2-х величин: W – вероятности события, и Х – тяжести последствия. R = Wх∙X – математическое ожидание риска. Для конкретного источника риска справедливо следующее выражение: R = Rн + Raв = Wн Хн+ Wав Хав, где «н» – нормальный режим работы, а «ав» – аварийная ситуация. Анализ структуры экологического риска, приходит к выводам, что, например, для ТЭС главным компонентом риска является Хн – работа в штатном режиме, а для АЭС – аварийная ситуация – Wав Хав. Собрать и проанализировать количество смертей от болезней органов дыхания – относительно простая задача, оценить же количество умерших от астмы – как результата загрязнения атмосферы выхлопами, например, автотранспорта, более сложно. Поэтому статистика уровней риска, обусловленных хроническим загрязнением окружающей среды разнородна и противоречива. Объективные и субъективные риски могут заметно расходиться. Например, в 1986г (год чернобыльской аварии) в США было проведено исследование по оценке объективных и субъективных рисков (табл. 3). 58 Таблица 3 Объективные и субъективные риски смерти от некоторых причин (по данным исследований в США,) Причины смерти Объективная оценка риска Субъективная оценка риска Курение 3 1 (6,210-4) -4 Алкоголь 7 2 (4,110 ) Электротравмы 18–19 5 (5,810-5) -7 Атомная энергия 1 20 (4,110 ) Максимальным годовым значением считается RL=0,01 (1 человек на 100 в течение года, включая младенческую и детскую смертность). Такие расхождения в оценке риска – не только невежество людей, но и стойкие общественные предубеждения, фобии. Феномен – экофобия (разновидности – радиофобия, хемофобия). Фобии – могут приводить психологическим стрессам, психическим заболеваниям таким образом – приносить реальный вред. В настоящее время экологическая наука в состоянии количественно определить экологически-приемлемый риск, на основе количественного определения:  критического уровня напряженности экологической обстановки территории;  критической степени антропогенного воздействия на структуру экосистем;  критического уровня общей загрязненности среды. Количественная концепция экологического риска переводит в плоскость количественных оценок и понятие стоимости человеческой жизни (затраты на рождение, воспитание, образование, получаемые доходы и т.п.). Эта стоимость должна учитываться при страховании ущерба, наносимого гибелью людей во время катастроф, в том числе экологических. Лекция 6 Антропогенное воздействие на окружающую среду Антропогенное воздействие на атмосферу 1. Строение и состав и значение атмосферы для биосферы Атмосфера – воздушная оболочка, окружающая землю и вращающаяся вместе с ней. Химический состав воздуха атмосферы (объемные %): азот – 78,08; кислород – 20,9; аргон –0,93; углекислый газ – 0,03; вода – 0,001. 59 В меньших количествах, присутствуют газы: неон, гелий, ксенон, радон, метан и др. Строение атмосферы:  0 – 12 км – тропосфера, содержит 80% всей массы воздуха, основное количество водяных паров, определяет климат и погоду.  12 – 50 км – стратосфера, содержит достаточно большую массу воздуха + озоновый слой в интервале 20 –30 км.  50 – 80 км – мезосфера, в ней воздух сильно разрежен.  80 – 400 км – ионосфера, газы в ней находятся в ионизированном состоянии, между ионами идут химические реакции (с участием ионизирующего излучения). Значение атмосферы для биосферы состоит в следующем: 1. Является источником жизненно важных для живых организмов: кислорода, углекислого газа, водяных паров. 2. Регулирует количество солнечного и космического излучения, попадающего на поверхность Земли:  существенно понижает суточные перепады температуры;  озоновый слой и ионосфера защищают поверхность земли от избыточного жесткого и УФ излучений. 3. Защищает поверхность земли от метеоритов, других мелких космических объектов; 4. Является основным климатообразующим фактором и средой обитания многих живых организмов. Среди слагаемых современного экологического кризиса наибольший вес имеют 5 компонентов:  кислотные дожди;  парниковый эффект;  озоновые дыры;  загрязнение планеты особо токсичными веществами;  радиоактивное загрязнение. Все эти компоненты оказывают комплексное влияние на биосферу в целом, но первые три компонента возникают первоначально исключительно в результате загрязнения атмосферы, а два последних компонента – также распространяются на атмосферную часть биосферы. 2. Основные вещества, загрязняющие атмосферу Общая масса отходов современного человечества и продуктов техносферы составляет 140 Гт/год, из которых только 9 Гт – масса изделий – отложенный отход. Из 131 Гт отходов, 128 Гт составляют чисто техногенные отходы, из которых:  32 Гт (25%) – выбросы в атмосферу;  14 Гт (11%) – сливы со стоками в водоемы; 60  82 Гт (64%) – попадает на поверхность земли. Большая часть техногенных выбросов в атмосферу – нетоксичные углекислый газ и вода, хотя с СО2 связаны другие экологические проблемы, не связанные с токсичностью. В атмосферу выбрасываются десятки тысяч различных веществ, однако наиболее распространенные (многотоннажные) немногочисленны. Их делят на 5 групп (табл. 4). Кроме указанных в таблице, в атмосферу выбрасываются: NH3, H2S, CS2, O3, хлорфторуглероды (в т.ч. фреоны), диоксины, тяжелые металлы и их соединения (свинец – 260 тыс. т в год – ДВС, 89 тыс. т металлургия; ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма и др.) Таблица 4 Наиболее распространенные, «многотоннажные», загрязнения атмосферы Загрязняющее веВоздействие на человека Воздействие на биосферу щество Зависит от химического состава: 1. Твердые чаСнижение прозрачности нетоксичная, токсичная, канцеростицы, пыль, сажа воздуха, смог. генная (SiO2, асбест). Существенное воздействие только Парниковый эффект (пред2. Оксиды углерода: диоксид уг- в больших концентрациях положительно). лерода – СО2 оксид углерода – Необратимо связывает гемоглобин Малые концентрации не крови, вызывает удушье, наруше- оказывают заметного влияСО ние обмена веществ. ния. Раздражение кожи, слизистых, Смог, кислотные дожди и 3. Оксиды серы – нарушение деятельности дыхаих последствия – угнетение SO2, SO3 тельных и сердечно-сосудистых земной растительности, систем особенно хвойных. Раздражение кожи и слизистых, нарушение деятельности дыхаСмог, кислотные дожди и 4. Оксиды азота тельных и сердечно-сосудистых их последствия, разрушесистем, понижение содержания ге- ние озонового слоя. моглобина (NO) В зависимости от химического со5. Углеводороды Понижение прозрачности става могут быть раздражающими (в т.ч. бензапирен) воздуха, смог. или канцерогенными. Особую группу загрязнителей атмосферы и окружающей среды в целом составляют тяжелые металлы и их соединения. Они приводят к нарушениям обмена веществ, кроветворной функции, различным тяжелым заболеваниям. Некоторые тяжелые металлы являются канцерогенами (Cr(VI) и его соединения), они относятся обычно к 1–2 классам опасности. Соединения тяжелых металлов обычно более опасны, чем сами металлы, они обычно и присутствуют в атмосфере в газообразном состоянии или в составе пыли. 61 Предельно-допустимые концентрации некоторых загрязняющих атмосферу веществ представлены в таблице 5. Таблица 5 ПДК некоторых загрязнителей атмосферы мг/м : Вещество Класс опасности ПДКмр 1. Пыль неорганическая 3 0,3 20–70% SiO2 2. Диоксид серы 3 0,5 3. Диоксид азота 2 0,085 2. Оксид углерода СО 4 5 3. Аммиак NH3 4 0,2 4. Сероводород H2S 2 0,008 5. Хлор Cl2 2 0,1 6. Свинец 1 0,01 7. Ртуть металлическая 1 0,01 8. Бензапирен C20H12 1 – 9. Диоксин 1 0,5пг/м3 3 ПДКсс 0,1 0,05 0,04 3 0,04 0,008 0,03 0,0003 0,0003 0,00001 – 3. Основные загрязнители атмосферы Загрязнитель атмосферы 1 – термохимические процессы в энергетике, или ТЭС – тепловые электростанции. Основные химические реакции теплоэнергетических процессов, приводящие к загрязнению атмосферы углекислым газом, представляют собой реакции горения: С+ O2  СO2 CnHm+ O2  n CO2 +0,5m H2O При этом идут следующие попутные процессы:  термическое окисление азота;  окисление примесей из топлива (например, серы);  высвобождение примесей. Использование в ТЭС разных видов топлива приводит к разным по величине выбросам вредных веществ (табл. 6). Использование в качестве топлива природного газа дает наименьшее количество загрязняющих веществ в атмосферу. В среднем в топливной теплоэнергетике на 1 т условного топлива выбрасывается около 150 кг загрязнителей (кроме того присутствует тепловое загрязнение окружающей среды). 62 Таблица 6 Удельные выбросы в атмосферу ТЭС мощностью 1000 мВт на разных видах топлива (г/кВт-ч) Топливо Выбросы Уголь Мазут Природный газ Частицы 0,4–1,4 0,2–0,7 0–0,05 СО 0,3–1,0 0,1–0,5 – NOх 3,0–7,5 2,4–3,0 1,9–2,4 SO2 6,0–12,5 4,2–7,5 0–0,02 Загрязнитель атмосферы 2 – ДВС – двигатели внутреннего сгорания, исбользуемые главным образом в автомобильном транспорте. ДВС – один из основных (после ТЭС) источников загрязнения атмосферы, 50 % загрязнений в воздухе капиталистических стран исходит от автомобилей. Число ДВС в мире давно превысило 1 млрд.; 80% автомобилей составляют легковые. Обмен веществ «среднего» легкового автомобиля с карбюраторным двигателем, при расходе горючего 8 л на 100 км включает:  сжигание 1 кг бензина, что требует потребления 13,5 кг воздуха;  выброс 14,5 кг отработанных веществ (соответствующий выброс дизельного двигателя несколько меньше). Выхлоп ДВС содержит более 170 вредных компонентов, из которых 160 – углеводороды (табл. 7). Общая масса загрязнителей – около 270 г на 1 кг сжигаемого бензина (340 млн. т выбрасывают все легковые автомобили мира, грузовые автомобили, автобусы – доводят количество выбросов до 400 млн. т). Таблица 7 Основные компоненты отработанных газов автомобиля (объемные %) Двигатели Компоненты карбюраторные дизельные N2 72–75 74–76 O2 0,3–0,8 1,5–3,6 Н2О 3–8 0,8–4 СO2 10–14,5 6–10 СО 0,5–1,3 0,1–0,5 NOх 0,1–0,8 0,01–0,5 CnHm 0,2–0,3 0,02–0,5 Альдегиды 0–0,2 0–0,01 3 Частицы, г/м 0,1–0,4 0,1–1,5 3 Бензапирен мкг/м 10–20 до 10 Кроме этого:  1 автомобиль дает за 1 год около 10 кг резиновой пыли;  окружающую среду загрязняют утечки горючего, масла;  эксплуатации автомобиля дает металлическую и асфальтовую пыль; 63  при сжигании этилированных бензинов в атмосферу выбрасывается свинец, так как в качестве антидетонатора в них используется тетраэтилсвинец. Оксиды серы присутствуют главным образом в выбросах стационарных источников (ТЭС, промышленные предприятия), а углеводороды выбрасываются главным образом транспортными средствами. Наибольшая загрязненность атмосферы приурочена к индустриальным регионам. Около 90 % выбросов приходятся на 10% территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Это крупные промышленные города, сопровождаемые такими явлениями как пылевые купола, смог. Россия в целом в настоящее время не является заметным поставщиком вредных выбросов в атмосферу планеты, количество выбросов на одного жителя и на единицу площади значительно ниже, чем в США и Западной Европе. Зато значительно выше на единицу ВНП, что говорит об устаревших технологиях и низкой эффективности средств очистки. Санитарно-защитные зоны, которыми отделяются от жилой застройки промышленные предприятия, загрязняющие атмосферу должны содержать зеленые насаждения и иметь размеры в зависимости от класса предприятий (табл. 8). Таблица 8 Ширина санитарно-защитной зоны в зависимости от вида промышленного предприятия Ширина санитарно-защитКласс предприятия ной зоны (м) 1. Черная металлургия 1000 2. Машиностроение 500 3. Рыбные промыслы, свекло-сахарные заводы 300 4. Пищевая промышленность, спиртозаводы 100 5. Пищевая промышленность – молокозаводы 50 4. Влияние оксидов серы и азота на атмосферу По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, основное загрязняющее вещество в атмосфере – SO2 (диоксид серы). Он образуется при окислении серы, содержащейся в топливе ТЭС или в составе сульфидных руд цветной металлургии: Можно добиться глубокой очистки от оксидов серы, с получением ценного продукта – серной кислоты. В последнее время, в связи с увеличением мощности высокотемпературных процессов, переводом ТЭС на газ и ростом парка автомобилей растут выбросы оксидов азота при окислении атмосферного азота: Очистка от оксидов азота сложнее, чем от SO2. Вторичные реакции SO2 и NO2 атмосферы с парами воды, кислородом и при участии техногенной пыли в качестве катализаторов, приводят к образованию серной (в основном) и азотной кислот: 64 В результате образуются кислотный туман и кислотные дожди, рН которых в ряде случаев снижается до 2–2,5 ед. вместо нормальных 5,6–5,7 (табл. 9). Таблица 9 Некоторые природные явления и их кислотность: рН Явление 1 Аккумуляторная кислота 2 Лимон, кислый ливень в Уиллинге (шт. Вирджиния, США, 1978г) ~2,7 Ливень в Питлочри (Шотландия, 1974г) 3 Яблоко 3,7 Ливень в Баварском лесу (ФРГ, 1981г) 4–4,5 Томатный сок, средние осадки ФРГ в 90-х годах 4,5 Средние осадки ЧССР в 1977–1982гг 6–7 Обычный дождь (за счет СO2 атмосферы – рН несколько ниже 7) Влияние кислотных дождей распространяется главным образом:  на растительность (особенно хвойную) – угнетение;  на почву – вымывают катионы металлов (становятся подвижными ионы тяжелых металлов и Al – могут переходить в растения и далее передаваться и накапливаться в пищевых цепях);  на литосферу – приводит к растворению карбонатов, росту карста;  на памятники архитектуры (скульптуры Италии, Греции и др.);  на закисление рек и озер, при которых в первую очередь гибнут моллюски, ракообразные. 5. Парниковый эффект и изменения климата С конца 19 века по настоящее время наблюдается повышение средней глобальной температуры атмосферы. За последние 50 лет средняя температура атмосферы повысилась на 0,6 С. Это потепление в 20 веке относится к спонтанным вековым колебаниям средней температуры и не может быть целиком приписано влиянию человека. Однако это влияние возрастает, последнее десятилетие 20 века – самое теплое не только в столетии, но и во всем тысячелетии. Ведущим фактором глобального потепления климата считают парниковый эффект – уменьшение спектральной прозрачности атмосферы для теплового излучения от поверхности земли, создаваемый в атмосфере парами воды и рядом газов: СO2, СО, СН4, NOх, фреонами и другими – так называемыми парниковыми газами. Несмотря на однозначно зафиксированное повышение содержания в атмосфере парниковых газов, повышение температуры намного меньше ожидаемого – расчетного (на настоящий момент). Это «противодействие» возможно обусловлено: 65  снижением прозрачности атмосферы – снижением солнечной радиации, достигающей земли;  высокой замкнутостью биосферного круговорота углерода, огромной буферной емкостью биосферы и океана по связыванию атмосферного СO2. Таким образом, осуществление модельных расчетов потепления климата под воздействием выброса парниковых газов остаются возможными сценариями и предположениями, с вероятностью реализации оцениваемой в 60%. Кроме того, нужно иметь в виду, что до 70 % теплового излучения Земли поглощается парами воды. Значителен вклад метана, одна молекула которого поглощает в 76 раз больше энергии, сем молекула СО2 6. Аэрозольный эффект. Смог. Аэрозольный эффект – снижение прозрачности атмосферы, уменьшение солнечной радиации, достигающей поверхности земли – эффект противоположный парниковому, вызывает снижение температуры у поверхности. Аэрозоли, включающие: – жидкие частицы (10-6 – 10-1 см), представляют собой туман. – твердые частицы (10-8 – 10-2см), представляют собой пыль. Смог – токсичный туман, опасное загрязнение атмосферного воздуха, сочетающее пылевые частицы и капли жидкости. Смог лондонского типа (классический) – вредные газы (главным образом SO2), пыль, туман. Источник классического смога в 50 х годах в Лондоне – сжигание серосодержащего угля и мазута в каминах. Лос-Анджелесский смог (фотохимический), имеет в качестве основного источника выбросы автотранспорта, под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в которых образуются новые, более опасные загрязнители, чем исходные (n-ацетнитрил, озон и др.) Смог аляскинского типа – «морозный туман» (лед) в сочетании с различного рода загрязнителями, возможно токсичными. Антропогенное воздействие на водные системы 1. Вода в биосфере Вода в биосфере присутствует повсюду: в водоемах, в атмосфере, в почве, в живых организмах.  70,8 % поверхности земли покрыто водой.  Соленая вода составляет 97,2 % запасов воды на Земле, в том числе Мировой океан – 96,52 %.  Пресная вода составляет 2,8 % всех запасов. Гидрологический круговорот – процесс обновления воды в природе, «вечный двигатель», который беспрерывно и ритмично качает воду из океанов на мате- 66 рики, очищает ее. Человек своей деятельностью постепенно «разрушает» безупречный механизм природы, резко увеличивает ее потребление (водоемкие производства), загрязняет ее. Основные резервуары пресной воды:  ледники, снежный покров, подземные льды – в сумме 74,36 %;  пресные грунтовые воды – 24,87 %;  пресные озера – 0,31 %;  соленые озера – 0,26 %;  реки, водохранилища – 0,02 %;  болота, почвы – 0,1 %;  атмосфера – 0,06 %;  биомасса – 0,02 %. 2. Потребление пресной воды Техносфера и биосфера выступают как конкуренты за наиболее доступные резервуары пресной воды. Водоемкость человечества в течение 20 века увеличилась в 12 раз, достигнув приблизительно 5 тыс. км3/год (11 % годового стока всех рек мира). Мировое водопотребление:  70 % – на с/х;  13 % – промышленность;  10 % – коммунально-бытовые нужды;  7 % – собственные нужды водного хозяйства (гидроэнергетика, судоходство, рыбное хозяйство и др.). Водопотребление России: 57,3 % – промышленность, 18,9% – сельское хозяйство, 20,5% – коммунально-бытовые нужды. Безвозвратный расход воды (в основном, испарение) составляет 75 %; общий объем технических стоков мира превышает 1300 км3/год (по некоторым оценкам – до 1800 км3/год). Для достаточного разведения содержащихся в них примесей нужно в среднем в 10 раз большей свежей воды. Следовательно, суммарное прямое антропогенное вмешательство в природный круговорот воды составляет 18 тыс. км3/год, что составляет половину речного стока. Вода некоторых рек в промышленных районах мира полностью (в ряде случаев более чем однократно) проходит через различные технические системы водопотребления. На производство 1т готовой продукции расходуется воды (м3):  уголь – 0,6;  нефть – 3;  сталь – 40;  синтетические волокна – 300;  бумага – 900;  резина – 3400. 67 Для охлаждения энергоблоков требуется:  ТЭС (1ГВт) – 1,2–1,6 км3/год;  АЭС (1ГВт) – 3 км3/год. Питьевое водоснабжение мира на 25 % основано на подземных источниках. Практически вся вода, поступающая в магистрали питьевого водоснабжения нуждается в специальной водоподготовке. Проблема качества воды связана в основном с техногенным загрязнением поверхностных и подземных вод. С этим тесно связан рост индустрии глубокой очистки и бутилирования питьевой воды. 3. Водные ресурсы России 4. Мгновенный запас поверхностных пресных вод России составляет 28 тыс. км3, из них 23 тыс. км3 (82 %) оз. Байкал (что составляет 22 % пресных вод мира). Из 15 крупнейших рек мира 4 находятся в России. Годовой сток рек РФ составляет 9,1 % мирового стока. Основные компоненты распределения водных ресурсов РФ представлены на рисунке (рис. 9). Географическое распределение материкового стока РФ крайне неравномерно:  более 90 % стока приходится на Северный Ледовитый, Тихий океаны;  менее 9 % стока приходится на бассейны Каспийского и Азовского морей, где сосредоточено 80% населения РФ и большая часть хозяйственного потенциала. В результате этого бассейн реки Волги испытывает большую техногенную нагрузку. Водозабор Волги составляет 18 %, что приводит к уменьшению ее естественного годового стока на 10–12 %. В реках: Дон, Кубань, Терек, Урал, Исеть, Миасс водозабор превышает 50 % стока. На каждого жителя РФ в среднем приходится (в год):  30 тыс. м3 – суммарного речного стока;  530 м3 – суммарного водозабора;  90–95 м3 воды бытового водоснабжения (по 250 л в сутки);  в крупных городах удельное водопотребление составляет около 320 л/сутки на человека, в Москве – 400 л/сутки. Средняя водообеспеченность в РФ одна из самых высоких в мире; для сравнения, водообеспеченнось в некоторых странах составляет:  США – 320 л/сутки на человека;  Великобритания – 170 л/сутки на человека;  Япония – 125 л/сутки на человека;  Индия – 65 л/сутки на человека;  Ирак – 16 л/сутки на человека. 68 Рис. 9. Распределение водных ресурсов России. Слагаемые и использование годового стока рек В то же время, пресная вода используется в РФ крайне неэкономно, в ряде районов на юге России, Поволжье и Зауралье существуют трудности с питьевой водой. 5. Источники, природных вод виды и последствия антропогенного загрязнения Источники антропогенного загрязнения природных вод: 1. Сточные воды промышленных предприятий. 2. Сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов. 3. Стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов. 4. Атмосферные загрязнители (ливневые стоки, талые воды). Неорганизованный сток осадков – смыв техногенных загрязнителей в водоемы. 5. Прибрежные города (составляющие 60 % всех крупных городов) производят загрязнение выбросами от двигателей водных транспортных средств, нефтью 69 и нефтепродуктами от промывки танкеров забортной водой и добычи нефти на континентальном шельфе (что составляет 1/3 мировой добычи нефти). Виды загрязнений воды: 1. Химические загрязнения: кислоты, щелочи, металлы, соли, ПАВ, нефть и нефтепродукты и др. 2. Биологические загрязнения: бактерии, вирусы, другие болезнетворные организмы, некоторые водоросли, фекалии, отходы жизнедеятельности человека. 3. Физические загрязнения: цвет, запах, тепло, твердые взвешенные частицы, песок, ил, шлам, радиоактивное излучение и др. Критерии качества воды. Качество воды – характеристика свойств и состава воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды – признак, по которому оценивается качество воды. В зависимости от прозрачности воды, содержания в ней кислорода, нитратов, аммиака определяют 4 класса воды: I – чистая питьевая вода; II – чистая техническая вода; III – умеренно загрязненная вода для водопоя скота, пригодная для промышленных нужд; IV – недопустимо загрязненная вода. По размеру твердых частиц в сточных водах различают: грубые суспензии – >100 мкм, тонкие суспензии – 10–100 мкм, весьма тонкие суспензии – 1–10 мкм, мути – 0,1–1 мкм, коллоиды –<0,1 мкм. Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, промышленном или сельскохозяйственном употреблении или прошедшая с загрязнением через какую-либо территорию. Производственные стоки по содержанию примесей делят на 4 группы: I – до 0,5 г/л; II – 0,5–5 г/л; III – 5–30 г/л; IV – более 30 г/л. В технологических процессах образуются различные сточные воды: реакционные, промывные, охлаждающие воды, маточные растворы, водные экстракты, абсорбционные жидкости и др. Наибольшее количество воды в промышленности – 65–80 % тратится на охлаждение веществ в теплообменниках. В промышленных стоках наибольшую долю составляют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности, около 20 %, химической промышленности – 17%, теплоэнергетики – 13 %. Ориентировочные количества загрязнителей (источников загрязнения и количеств загрязняющих веществ) океана и континентальных вод представлены в таблице (табл. 10). Воздействие загрязнения на основные параметры водных систем: 1. Понижение содержания растворенного кислорода («мертвая» вода с содержанием О2 не обеспечивающим жизнедеятельность организмов). Международная норма содержания О2 – ≥ 5∙10–4 %. 2. Понижение или повышение содержания питательных веществ в воде – приводит к нарушению естественных процессов в водной экосистеме. Повышение – при загрязнении соединениями азота и фосфора ведет к перерождению 70 флоры и фауны, гниению и цветению воды, вторичному биологическому загрязнению – эвтрофикации водоемов. 3. Повышение количества твердых взвешенных частиц ведет к понижению прозрачности воды, затруднению фотосинтеза, нарушению дыхания у жаберных, нарушениям жизнедеятельности придонной флоры и фауны. Таблица 10 Количества массовых загрязнителей океана и континентальных вод планеты Группа веществ Млн. т/год 1. Затонувшие суда, плавающий и погружной мусор 1200 2. Взвешенные вещества техногенного происхождения 1400 3. Растворенные неорганические вещества 4000 В том числе: 80  минеральные удобрения 3  соли тяжелых металлов 2500 4. Синтетические органические вещества В том числе: 15  моющие средства, СПАВ 5  фенолы и другие циклические углеводороды 2  пестициды 1200 5. Биогенная органика 12 6. Нефтепродукты 1800 7. Аэрогенные выпадения техногенной природы 4. Нарушение температурного режима водоема (тепловое загрязнение) ведет к перерождению флоры и фауны, появлению новых, нехарактерных организмов, к затруднениям снабжения кислородом. Норма повышения температуры за счет теплового загрязнения в летнее время составляет не более 3 °С. 4. Повышение содержания биологически активных веществ влияет на биологический круговорот. 5. Ионы тяжелых металлов (Hg, Cd, Pb и др.) оказывают свое токсичное действие на живые организмы, как непосредственно обитающие в водной среде, так и на питающихся ими. Последствия загрязнения водных систем:  нарушение (разрушение) этих систем;  непригодность воды для обитания организмов;  непригодность воды для использования человеком. Требования к питьевой воде:  эпидемиологическая безопасность (не должна содержать возбудителей заболеваний);  химическая безвредность (отсутствие химических веществ, наносящих вред здоровью);  благоприятные органолептические свойства (отсутствие посторонних вкуса, запаха, цвета, пр.). 71 Приоритетный список химических веществ для контроля качества питьевой воды: А. Солевой состав: уровень минерализации, жесткость общая, сульфаты, хлориды, щелочность – кальций, магний, натрий, калий. В. Микроэлементы: F, B, Cu, нитриты, нитраты, Sr, Se,а также Al, Be. C. тяжелые металлы: Hg, Pb, Cd, As, Fe, Cr, V, Zn, U, а также Ba, Ni, Mn. D. Органические вещества: ПАВ, нефтепродукты, бензапирен, фенол, Σ хлорорганических соединений, Σ нитросоединений, Σ фосфорорганических соединений, гуминовые вещества, ХПК, БПК, Σ CnHm, растворенный кислород. Уровень минерализации – общее содержание в воде минеральных солей. Жесткость – суммарное содержание растворимых солей щелочноземельных металлов. Жесткость общая – Σ Ca, Mg Гуминовые вещества – простые органические соединения, образующиеся при разложении органического материала. ХПК – количество O2, необходимое для полного окисления органических веществ химическим путем. БПК – количество O2, необходимое для разложения в воде органических веществ, разлагаемых биологическим путем (бактериями). 6. Загрязнение вод России Если для атмосферы основное внимание обращается на глобальные характеристики, для природных вод наибольший интерес представляют региональные, бассейновые особенности. По существующей санитарной классификации, сточные воды разделяют на:  нормативно чистые (не проходят очистки);  нормативно очищенные;  загрязненные. В РФ на 1 человека образуется в 1,5 раза больше хозяйственных стоков, чем в мире в среднем. Объем нормативно очищенных стоков составляет всего 10 % от всех вод, требующих очистки что является следствием низкой эффективности работы очистных сооружений. Качество воды в большинстве водных объектов России не отвечает нормативным требованиям. Учет сброса сточных вод и система их оценки не упорядочены. Так, коллекторно-дренажные воды с орошаемых земель условно относятся к нормативно-чистым, хотя они загрязнены ядохимикатами, соединениями азота и фосфора и требуют разбавления в 10–50 раз для достижения нормального качества. Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения РФ не может гарантировать требуемого качества питьевой воды. По состоянию на 1998 г: 72  75,3 % исследованных проб нестандартны по вкусовым качествам;  20,4 % исследованных проб не отвечают гигиеническим нормам по химическому составу;  1,2 % исследованных проб не отвечают гигиеническим микробиологическим нормам. В целом почти половина жителей РФ потребляет недоброкачественную воду. Загрязнение вод по бассейнам: Географическая особенность загрязнения рек РФ состоит в том, что основные промышленные районы приурочены к верховьям водосборных бассейнов. Таковы – Центр, бассейн р. Камы, Среднее Поволжье, Урал, Кузбасс, верхнее течение р.р. Оби, Енисея, Ангары. Поэтому главные реки России – Волга, Дон, Урал, Обь, Енисей, Лена, Печора в той или иной мере загрязнены на всем протяжении и оцениваются как загрязненные, а их крупные притоки – Ока, Кама, Томь, Иртыш, Тобол, Тура – сильно загрязненные. Очень серьезны экологические проблемы в бассейне р. Волги:  сток р. Волги составляет 5 % стока рек РФ;  водозабор р. Волги составляет 30 км3/год (третья часть водозабора РФ);  стоки в р. Волгу составляют 19 км3/год (39 % стоков РФ);  2/3 вредных веществ промышленных предприятий не задерживаются очистными сооружениями;  для разбавления 19 км3/год стоков требуется около 1000 км3 чистой воды, а среднегодовой сток Волги составляет всего 254 км3. Для разбавления же до нормы суммы стоков, льющихся во все водоемы РФ необходим практически весь годовой сток рек РФ. 7. Загрязнение морей Мировому океану в условиях современной цивилизации отведена роль гигантской мусорной свалки. В составе речного стока и атмосферных осадков в океан попадает 100 млн. т. тяжелых металлов в год. 70 % загрязнений морей связано с наземными источниками: промышленные стоки; мусор; химикаты; пластмассы; радиоактивные отходы. К числу наиболее опасных загрязнений морей и океана относится нефть и нефтепродукты (общее загрязнение нефтью составляет – 6 млн. т./год). Существующие методы очистки воды от нефтяной пленки (по оценкам экспертов нефтью загрязнена 1/5 акватории мирового океана) малоэффективны или экологически «нечисты» (химические методы эмульгирования нефти). Все внутренние и окраинные моря РФ испытывают интенсивную антропогенную нагрузку. Концентрация нефтепродуктов и фенолов на Севере и востоке Каспия составляют 4–6 ПДК, а у берегов Азербайджана – 10–16 ПДК. Средиземное, Северное, Балтийское моря также загрязнены нефтепродуктами. 73 Степень загрязнения морской воды принято характеризовать классом качества от 1 до 7 (от «очень чистая» до «чрезвычайно загрязненная»). Морские воды Черноморского побережья от Анапы до Сочи соответствуют 4 классу («загрязненные») и 3 классу («умеренно загрязненные»). Воды восточной части Финского залива Балтийского моря характеризуются как «грязные» (5 класс) и «очень грязные» (6 класс). Загрязнение поверхности земли 1. Земельные ресурсы Земельные ресурсы с точки зрения геоэкологии рассматриваются по следующим направлениям: 1. Размеры территории освоения и эксплуатации:  площади для размещения объектов;  техноемкость;  демографическая емкость. 2. Географическое положение территории:  природно-климатическая зона;  географическая провинция;  тип ландшафта. 3. Качество земли, почвы – с точки зрения производства биопродукции (субстрат и источник), в т.ч. – продукции сельского хозяйства. 4. Покров недр и доступ к их богатствам. В 80-х годах по аэрокосмическим данным площадь земель, не затронутых хозяйственной деятельностью, составила 28% суши (без материковых льдов). Главную нагрузку по стабилизации окружающей среды несут Мировой Океан и сохранившиеся наземные природные экосистемы. В северном полушарии максимальные площади неразрушенных экосистем – в России и Канаде (леса), в южном полушарии – Бразилия, Экваториальная Африка и Австралия (особенно важная роль – влажные тропические леса Амазонки). Остальная – большая часть суши, представляет собой нарушенные естественные экосистемы (или – освоенные). Пределы для освоения новых территорий обусловлены малой пригодностью для постоянной жизни людей. По европейским стандартам это среднегодовая температура выше –2 ºС и высота над уровнем моря меньше 1000 м. Лишь небольшие народности приспособились к существованию и ведению хозяйства в условиях субарктики и высокогорья. Из 149 млн. км2 суши под прямым контролем человека (города, техногенные ландшафты, агроценозы, постоянные пастбища) находятся около 50 млн. км2. Это, по мнению экологов, уже превышает допустимый предел хозяйственного 74 использования земельных ресурсов. Пашня может быть дальше увеличена лишь за счет пастбищ и лесов, что приведет к эколого-экономическим потерям. 2. Земля – базис продовольственного обеспечения К середине 20 века продовольственное положение людей резко ухудшилось из-за роста населения и дефицита плодородной земли, и наступление массового голода в 50–70-х годах было задержано комплексом мер «зеленой революции», которая включала:  внедрение новых сортов с/х растений;  внедрение новых агротехнических приемов и средств защиты растений;  обучение сельхозпроизводителей;  изменение экономической структуры сельского хозяйства. Несмотря на рост производства зерновых почти в 2,5 раза, молока в 2 раза, мяса в 3 раза (поголовье основных видов скота приблизилось к числу людей на земле и превзошло их по массе), достижения «зеленой революции» оказались временными, в настоящее время из-за экономического неравенства и неравномерности распределения продовольствия более 1 млрд. человек в слаборазвитых странах питается недостаточно, а от 0,5 до 1 млрд. – хронически голодают. Освоение новых земель под пашни не приводит к увеличению мировой пашни ввиду потерь земельных ресурсов с/х из-за: а) эрозии почвы (смыв, сдувание гумуса); б) потери гумуса и снижение плодородия почвы ввиду неправильной агротехники; в) подтопления и засоления почв при неправильном орошении; г) машинной деградации почв; д) химического и радиационного загрязнения. Техногенное опустынивание – деградация земель, вызванная деятельностью человека и изменениями климата. От деградации почвы сейчас уже пострадала территория по площади в 3 раза больше Европы. Скорость опустынивания в мире составляет 7–10 млн. га/год, а 20 млн. га/год составляет эрозия и наступление песков (общая площадь агроценозов пашни составляет 1,5 млрд. га). Примерно с такой же скоростью идет процесс сокращения площади лесов (также в пользу опустынивания). 3. Земля России Земельный фонд РФ составляет 17,1 млн. км2 (1707 млн. га), из него:  с/х угодья составляют 13,1 %;  пашня – 7,7 %;  леса, кустарники –47,2 %;  нелесная растительность – 22,7 %;  под водой и болотами – 5,6 %; 75  освоено антропогенными объектами – 4,0 %;  пустыни – 0,1 %;  прочие – 7,3 %. 70 % не затронутой хозяйственной деятельностью земли Евразии приходится на Россию. Эффективная территория России составляет 5,5 млн. км2 – менее 1/3 территории и по абсолютной величине и пятое место после Бразилии, США, Австралии и Китая. В ней сосредоточено 95 % населения, 93 % хозяйственной инфраструктуры, в т.ч. все с/х угодья –224 млн. га. Большая часть пашни в РФ находится в зоне рискованного земледелия, что ведет к ее малой потенциальной продуктивности, которая компенсируется большой площадью. В России находится 1/3 всех черноземов мира, черноземы дают 80 % сельскохозяйственной продукции, отличаясь качеством (плодородием, мощностью гумусового слоя, сбалансированностью питательных веществ). За 50 лет Россия потеряла более 1/3 своего чернозема в результате почти полной распашки степей на юге, перевыпаса скота в Калмыкии (участились пыльные бури, повлекшие ветровую эрозию), неправильного орошения на Волге, Дону и др. (приведших к засолению почв). Значительные потери плодородных пойменных земель связаны с гидростроительством, так некоторые гидроузлы Волги, Дона, Кубани при подсчете баланса между выгодой и ущербом оказываются не только бесполезными, но и вредными. 4. Загрязнение земли Количественные характеристики:  из 128 Гт/год чисто техногенных отходов 82 Гт (64 %) попадают на поверхность земли;  каждой тонне мусора на стадии потребления соответствует 10 т отходов на стадии производства и около 100 т при получении сырья;  на каждого жителя земли приходится в год 0,12 т отходов потребления, 1,2 т отходов производства и около 14 т отходов переработки сырья. Наиболее опасны токсичные вещества, которые геохимически и биохимически достаточно подвижны, могут попасть в питьевую воду, растения, с/х животных, служащих пищей для человека:  соединения тяжелых металлов;  некоторые производные нефтепродуктов (ПАУ – полициклические углеводороды и диоксины);  синтетические яды – биоциды (пестициды);  боевые отравляющие вещества и радионуклиды. 76 Основные источники антропогенного загрязнения земли:  твердые и жидкие отходы различных отраслей промышленности и транспорта;  отходы потребления (ТБО);  с/х отходы и применяемые в агротехнике ядохимикаты;  выпадение токсичных веществ из атмосферы;  аварийные сбросы и выбросы загрязняющих веществ. Отходы производства и потребления. Главные поставщики отходов и загрязнителей земли – промышленно-развитые страны, поскольку масса отходов непосредственно связана с объемами производства и потребления сырья. В связи с этим в США, странах Евросоюза и Японии существует отчетливая тенденция вытеснения «грязных» сырьедобывающих производств, многоотходных технологий в третьи страны. Масштабный экспорт потребительских товаров также способствует распространению бытового мусора. Из-за отсутствия технологий переработки, мощностей и оборудования, достаточного количества полигонов, хранилищ, промышленные отходы вывозятся в места несанкционированного складирования (несанкционированные свалки), в т.ч. на свалки бытового мусора. Твердые бытовые отходы (ТБО) – одна из серьезных экологических проблем. В РФ ежегодно образуется почти по 1м3 ТБО на человека, из них на мусоросжигательных заводах перерабатывается 5%. Остальное – захоранивается, причем 70% на несанкционированных свалках (неподготовленных, необорудованных). Количество, состав и способы обращения с ТБО сильно зависят от степени развитости страны. Тяжелые металлы (ТМ). Живое вещество почти целиком состоит из самых легких химических элементов – неметаллов, сумма легких металлов – Са, Na, K, Mg, составляет не более 1 %. Все остальные элементы содержатся в живых организмах в микро и ультрамикроколичествах, часто входят в состав сложных биомолекул и витаминов (Fe, Mn, Cu, Zn, Co). Но их избыток (и присутствие других металлов доже в ультрамикроколичествах) вредно для организма. Все ТМ в той или иной степени ядовиты (с атомной массой больше 40 и плотностью больше 4,5 г/см3, хотя токсичным металлом является и Ве). Наиболее опасные ТМ: Pb Hg, Cd, As, Cu, Zn, Cr, Ni. Менее опасны: Tl, Bi, Sn, V, Sb, Mn, Co, Mo, Se. Попадая в организм, ТМ частично выводятся, частично накапливаются в тканях, вступая в соединения с биогенными элементами, для которых характерны длительные периоды полувыведения (месяцы – годы). Накапливаясь, ТМ ведут к различным тяжелым хроническим заболеваниям. Например, свинец, попадая в тело с водой или пищей, нарушает работу центральной и периферической нервных систем, а у детей может вызвать аномалии в развитии мозга. Соединения свинца хорошо растворяются в воде, а потому отравляет растения, животных и микроорганизмы. 77 Сопоставляя предельно-допустимые дозы – ПДД – ТМ, (от 0,1 мкг для Hg – до 5 мкг для Zn) с массой ТМ, находящихся в окружающей среде, можно сделать вывод, что человечество накопило потенциал ТМ для своего многократного отравления. Пестициды. Химизация сельского хозяйства – существенный фактор загрязнения среды, даже минеральные удобрения при неграмотном применении наносят экологический ущерб при сомнительном экономическом эффекте. Например, высокие дозы азотных удобрений являются причиной накопления в растениях нитратов, в организме под действием микрофлоры восстанавливающихся в нитриты и нитрозамины – во много раз более токсичные. В 40х годах для уничтожения вредных (с точки зрения человека) для сельского хозяйства насекомых, сорняков и других организмов начали применять синтетические органические соединения – пестициды; инсектициды – против насекомых, гербициды – против сорняков, фунгициды – против грибков и др. Ни одно из этих веществ не обладает абсолютной избирательностью, все они:  биоциды – угрожают различным формам живого;  ксенобиотики – не подвергаются ферментативному разложению, у организмов нет механизмов их детоксикации. ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан) – первый пестицид, создан в 1938 г, «чудо-оружие», с достоинствами столь выдающимися (относительная безвредность для человека, губительность для насекомых) что его создатель – швейцарский химик П. Мюллер получил за него Нобелевскую премию. В Италии во время второй мировой войны им боролись со вшами (против тифа) – проводили санобработку людей и одежды. Но оказалось, что ДДТ очень устойчив в окружающей среде, биологически не разлагается, и на сегодняшний день, несмотря на запрет его производства и использования, в биосфере циркулируют миллионы тонн ДДТ. Его обнаруживают в тканях пингвинов, в Антарктиде, в молоке кормящих женщин, и др. В настоящее время мировая коллекция пестицидов достигла 6000 наименований, их производство достигло 1,2 млн. т /год. Проблемы связанные с применением пестицидов:  приспособляемость и развитие устойчивости вредителей к применяемым препаратам;  восстановление и вторичные вспышки численности вредителей, повышение их агрессивности;  экономические затраты на применение в возрастающих дозах все более дорогих пестицидов;  отрицательное воздействие на природную среду и здоровье человека. По данным ВОЗ отравление пестицидами ежегодно поражает около 2 млн. человек. Из них до 40 тысяч – со смертельным исходом. В СССР применение пестицидов интенсивно росло с 1960 гг., в 1980–90 гг находилось на одном уровне, к 1993 году уменьшилось больше чем втрое. Загрязнение почв остаточными количествами пестицидов в России неравномерно, 78 максимально загрязнены Северный Кавказ, Приморье, Центрально-черноземные области. Основная часть РФ средне-слабозагрязненная по пестицидам, но достоверность исследований невысока, обследованию подвергнуты площади менее 0,01% сельскохозяйственных угодий. Особо опасные токсические вещества. Диоксины – группа крайне ядовитых веществ (около 150), появилась в окружающей среде в результате побочной примеси при синтезе некоторых гербицидов (например дефолианта – средства для уничтожения листвы). «Оранж» – дефолиант, использовался американцами во время войны во Вьетнаме для обработки джунглей (для уничтожения листвы) при борьбе с партизанами. После массового отравления американских солдат и началось активное исследование диоксиновой проблемы. Массовое отравление диоксинами произошло при аварии на заводе по производству пестицидов в Бхопале (Индия). Один из диоксинов – 2,3,7,8–тетрахлорбензопарадиоксин (ТХДД) занимает 5 место в ряду самых сильных известных ядов (ПДД для человека 10 -6 мкг/кг). Диоксины очень стойки – период полувыведения у человека составляет больше года. В небольших, но опасных для здоровья человека количествах диоксины образуются при горении, особенно при сгорании мусора, содержащего хлорсодержащие пластики (полихлорвинил и т. д.) Опасные отходы различных промышленных производств обладают эффектом кумуляции. Возможно возникновение новых, неизвестных ранее токсикантов, непредсказуемых по своему воздействию на человека и экосистемы. ВПК – склады ОВ, элементы ракетного топлива. По состоянию на 1994 г. существовало 12 мощных предприятий по производству ОВ и 7 крупных арсеналов хранения, на которых были многочисленные случаи утечек, отравления и гибели людей, загрязнения земли и водоемов. Ни одна из этих баз никогда не проходила экологической экспертизы, не имела и не имеет сейчас экологического паспорта, санитарно-защитной зоны. Все базы располагаются в непосредственной близости (0,5–1,5 км) от жилых поселков, весь комплекс представляет собой колоссальный потенциал отсроченной катастрофы. Защита бисферы от загрязнения 1. Общие положения охраны биосферы от загрязнений Чистый воздух, чистая вода, цветущая природа – основа здоровой жизнедеятельности большинства живых организмов. Человек, лишенный воздуха, погибает через 3–10 минут. Многие заболевания живых организмов обусловлены загрязнением воздуха и воды пылью, вредными веществами, болезнетворными организмами. Лучший способ охраны биосферы от загрязнений – исключение видов деятельности человека, технологических процессов, сопровождающихся ее загрязнением. 79 Однако полностью исключить антропогенное загрязнение элементов биосферы нельзя, так как без многих загрязняющих процессов невозможно жизнеобеспечение человека. Например, люди и животные, которых они выращивают, должны дышать, освобождать свой организм от продуктов жизнедеятельности, которые не улучшают атмосферу и гидросферу. Человек не может не выплавлять железо, не сжигать топливо для обеспечения тепла, при производстве электроэнергии, при передвижении в автомобилях, поездах, самолетах, кораблях и многое, многое другое. Поэтому другим основным направлением в природоохранной деятельности человека является очистка воздуха, воды, почвы от загрязнений до санитарных норм. Создание малоотходных и безотходных производств – также является одним из главных направлений в природоохранной деятельности человека. Безотходными считают такие производства, отходы которых при попадании в окружающую среду встраиваются в естественные биогеохимические круговороты. Воздействие отходов малоотходных производств на окружающую среды не превышает гигиенических нормативов Технологические мероприятия, направленные на предотвращение антропогенного загрязнения биосферы отходами и вредными веществами, обычно связаны с физико-химическими и химическими процессами. Эти процессы часто сложны, дороги и требуют для своей работы токсичных материалов. Экологические проблемы большого города Город – территория, на которой сконцентрировано на относительно небольшой территории большое количество людей, промышленных предприятий и транспорта. В начале 19 века – доля городского населения составляла 3 %. В начале 20 века – 13,6%. За последние 50 лет доля городского населения возросла с 29 % до 49 %, то есть в городах сосредоточена почти половина населения планеты (в Северной Америке и России – 75 %, в Африке – 22 %). Экология города – прежде всего экология человека, если рассматривать приоритеты биологических структур в их взаимодействии с окружающей средой. Естественные биолого-экологические факторы (необходимая масса растений, живой почвы, воды) в большом городе присутствуют либо в большом дефиците, либо в той или иной мере деструктурированном, деградированном состоянии. Столкновение между биологической природой человека и результатами его противоприродной деятельности в городе достигает наивысшей остроты. Город – очень плотная человеческая популяция в созданной ею самой искусственной среде. Поэтому, конечно, хотя и можно говорить о экологии каких-то животных 80 или растительных видов в условиях города, то только с точки зрения возможности существования рядом с человеком (возле электролитно-цинкового завода деревья, особенно хвойные, не выживают – SO2). 1. Состав, разнообразие и напряженность экологических проблем города Характер экологических проблем города определяют множества факторов. 1. Масштаб города – площадь, состав и численность населения определяют:  напряженность транспортных потоков;  количество личных и общественных автомобилей на улицах;  объем бытового мусора, вывозимого на свалки или перерабатываемого на соответствующих предприятиях. 2. Природные условия территории, включающие:  особенности климата (включая циркуляционные процессы в атмосфере – застойная (Алма-Ата) или продуваемая (Новороссийск, Санкт-Петербург, Челябинск) территория;  наличие или отсутствие крупных водных объектов, лесных массивов, внутри и по периферии города. Природные условия территории во многом определяют напряженность процессов нейтрализации антропогенных воздействий:  темпы разубоживания и нейтрализации загрязнений;  условия водоснабжения;  энергетические затраты для обеспечения необходимого уровня комфорта;  условия отдыха горожан. 3. Характер и масштабы производства – определяют состав и масштабы выбросов загрязнителей в атмосферу, водные источники и почвы. В зависимости от этого города делятся на:  города промышленные (обслуживают промышленные предприятия, транспортные узлы – Норильск, Череповец, Магнитогорск);  города административные (Якутск);  города промышленно – административные (численность их обычно более 1 млн.) – Санкт-Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Москва). 4. Особенности застройки, включающие:  этажность;  расположение относительно сторон света;  плотность застройки и расположение относительно элементов рельефа. 5. Геоэкологическая ситуация, включающая:  типы грунтов;  особенности водного режима грунтов;  наличие карстовых образований, и т.д. 6. Надежность, совершенство инженерных сетей и коммуникаций города: 81  водопровода и канализации;  электросетей;  сетей связи. 7. Уровень культуры горожан – определяет их отношение к городскому хозяйству, детским площадкам, зеленым насаждениям, пригородным лесам, паркам, газонам, скамейкам, подъездам и стенам домов. 2. Основные экологические проблемы, связанные с урбанизацией Экологические проблемы урбанизированных территорий – городов частично являются общими, частично зависят от специфических особенностей города. 1. Город отторгает территории природных экосистем и потенциальных сельскохозяйственных угодий в пользу районов городской застройки, рекреационных пригородных парков и лесных массивов (буферных зон, санитарно-защитных зон). «Город Тольятти мог быть не менее прекрасным, если бы был построен не на черноземах Поволжья, а на светло-каштановых почвах Заволжья». 2. Город является поглотителем энергетических ресурсов для своих нужд:  освещения территории, жилья;  эксплуатации транспорта;  теплового отопления в условиях холодного климата;  кондиционирования воздуха в условиях жаркого и сухого климата;  эксплуатации очистных сооружений, мусороперерабатывающих заводов. 3. Загрязнение атмосферы – бич современных городов:  производственными и теплоэнергетическими объектами;  транспортом;  пылеобразование и смогообразование. 4. Деградация водных объектов в результате:  изъятия воды для обеспечения нужд города;  загрязнения через воздушную среду;  загрязнения сточными водами. 5. Деградация растительности города:  зеленых массивов внутри и по периферии города;  снижение качества рекреационных зон и, собственно, их реабилитирующей роли. 6. Воздействие электромагнитных полей и излучений – «электронный смог», шумовое загрязнение, от:  ЛЭП;  передающих теле- и радиостанций;  радаров метеослужбы;  вышек сотовой связи;  транспорта;  аэропорта; 82  промышленных предприятий. 7. Изменение микроклимата в городе порождает так называемый «городской климат», для которого характерны:  повышеная температура воздуха;  повышенная сухость воздуха;  «центростремительные» воздушные потоки при отсутствии ветров переносят загрязнения атмосферы с периферии в центр города. 8. Осложнение геоэкологических условий в процессе сооружения и эксплуатации зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, заключающиеся в:  повышении уровня грунтовых вод (реже – понижении);  процессах суффозии и карстообразования. 9. Формирование городских (антропогенных) зооценозов (крысы, мыши, бродячие собаки и кошки, различные насекомые). 10. Осложнение санитарно-гигиенической и эпидемиологической обстановки, как следствие:  концентрации людей;  снижения иммунитета за счет постоянного преодоления горожанами бактериологических и химических загрязнений в воздухе, воде и продуктах питания. 11. Возникновение и усиление социальной напряженности вследствие высокой концентрации населения, всегда неоднородного по социальным, этическим или религиозным (или другим) признакам:  состоятельными и малоимущими;  постоянными горожанами и бывшими сельскими жителями;  массовое появление беженцев из сопредельных государств и «горячих точек». 3. Загрязнение городского воздуха Загрязнение атмосферы промышленными предприятиями и предприятиями энергетики – обсуждалось с точки зрения масштабов и состава загрязнителей в предыдущих лекциях. Здесь надо отметить, что загрязнения атмосферы промышленностью составляют весьма неблагоприятный тандем с особенностями городского микроклимата. Загрязненный теплый воздух поднимается вверх, охлаждается, растекается по краям города и возвращается обратно. В безветренную погоду центростремительные воздушные потоки несут загрязнители промышленных предприятий в центр города, даже от расположенных на окраинах города заводов. Загрязнение атмосферы и другие экологические проблемы, связанные с автомобильным городским транспортом приобретают в городе особую остроту. 83 Мы уже знаем, что автомобилей много, что они выбрасывают в атмосферу ряд вредных веществ с выхлопными газами (до 80 % всех городских загрязнений), а также в виде утечек топлива и масел, резиновой пыли – на поверхность земли. Автомобили – основной виновник образования фотохимического смога Лосанжелесского типа (при наличии благоприятной для этого комбинации погодноклиматических условий). Но кроме этого: 1. В производство автомобилей вовлечена почти 1/4 часть всего промышленного потенциала развитых стран мира и почти все отрасли промышленности. 2. Относительная эффективность различных способов передвижения (ккал / пассажиро – километр): – велосипед – 50; – ходьба – 75; – автобус (дальние рейсы) – 400; – железная дорога – 730; – автомобиль (дальние поездки) – 850; – автобус (местные рейсы) – 970; – автомобиль (езда в городе) – 2040; – самолет – 2100. Мировая практика такова, что затраты на общественный транспорт (оборудование, персонал, бензин и др.) нигде и никогда не покрываются платой за проезд. Следовательно, дотация общественного транспорта, скажем, за счет налога с автомобилистов – дело экологического оздоровления городов, на что идут во многих странах. Применение электротранспорта, электромобилей– не снимают проблему загрязнения атмосферы полностью, а лишь переносят место выбросов за черту города (туда, где работают ТЭС). Страна, страдающая от кислотных дождей, должна основательно подумать, прежде чем в массовом порядке переходить на электротранспорт. Проблема автомобиля в городе – проблема не только выхлопов и загрязнений – это проблема отчуждения территории под гаражи и автостоянки, проблема автомобильного шума, проблема травматизма, проблема химического загрязнения воды и почв в результате борьбы с гололедом на дорогах, проблема автомобильных пробок. В среднем американец проводит в автомобильных пробках 62 часа в год, а жители Лос-Анджелеса проводят в автомобильных пробках 136 часов в год. Автомобили в городе – это комплексная проблема, связанная не только с техническими поисками решения, но и с психологической перестройкой нашего отношения к автомобилю. 84 4. Проблема водоснабжения Потребности города в воде являются важнейшими. Утилизация и обезвреживание сточных вод также связаны с обеспеченностью водными ресурсами города, с объемом природных резервуаров вод, осуществляющих функцию нейтрализации и самоочищения. Обеспеченность города водными ресурсами в значительной мере обусловлена природными условиями территории и может быть изменена в ограниченных пределах. 5. Проблема утилизации ТБО Твердые бытовые отходы (ТБО) – отходы сферы потребления, образуются в результате бытовой деятельности населения, состоят из изделий и материалов, непригодных для использования в быту. К ТБО не относятся – твердые отходы промышленности. К ТБО относятся:  отходы текущего ремонта квартир;  отходы отопления жилых муниципальных учреждений;  листва, мусор городских территорий. Состав и объем ТБО меняется в зависимости от степени развитости страны, географического положения территории, времени года и других факторов. В развитых странах основную долю ТБО составляют бумага и картон (около 40 %). Вторая категория – органические отходы, в том числе пищевые (в переходных и слаборазвитых странах занимают первое место). Меньшую часть ТБО составляют металл, пластик, стекло, дерево, текстиль, резина, и др. Традиционные способы устранения ТБО: 1. Складирование – самый распространенный способ, в Великобритании складируется 98 % ТБО, в странах СНГ – 95 %, в США – 82 %. Складирование приводит:  к загрязнению окружающей среды;  к изъятию больших территорий под свалки;  к материальным затратам – на оборудование полигонов (защита и т.п.) 2. Уничтожение, сжигание – в Японии сжигается 72 % ТБО, в Швейцарии – 80%. Недостатки сжигания ТБО:  при температуре сжигания меньше 900 °С образуется большое количество высокотоксичных веществ, попадающих в атмосферу;  до 30 % ТБО составляют вторичные твердые отходы, часто высокотоксичные, которые требуют дополнительных затрат на переработку и специального хранения;  потеря ценных материалов. 85 3. Переработка, утилизация. В Германии 42 % стеклотары и 44 % бумаги и картона получают за счет вторичного сырья. Основное положение эффективной утилизации ТБО – продукт становится мусором тогда, когда он смешивается в мусорной корзине с другими продуктами. Вагон, наполненный пустыми бутылками из одного материала (стекла, пластика, алюминиевых банок) – это не мусор, а коммерческий продукт, который можно с выгодой утилизировать. На решение проблемы переработки и утилизации большей части ТБО должны быть направлены усилия: 1) власти, на законодательном и экономическом уровне; 2) образования и просвещения; 3) общественности – особенно необходимы для предотвращения «утилизации» ТБО методом сжигания на улицах (мусор, листья – после субботников) или неорганизованных свалках и бачках для сбора ТБО в городских дворах (образуется в том числе высокотоксичные соединения – диоксины, бензапирены). 6. Геоэкологические проблемы города Геоэкологические проблемы города зависят от: 1) природной обстановки (типа грунтов, режим подземных вод и т.д.); 2) планировки, застройки, эксплуатации территории города и объектов. Наиболее общая тенденция – изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами, повышение уровня грунтовых вод в результате. Следствие – подтапливание оснований и фундаментов зданий, снижение несущих способностей грунтов. При активной эксплуатации подземных грунтовых вод развиваются процессы: суффозии (вынос тонкозернистого материала); карста (выщелачивание карбонатного материала. Изменение теплового режима грунтов (промышленность, общее повышение температуры в городе в результате застройки, асфальтирования, коммуникаций), пригрузка поверхности, изъятие подземных вод из порового пространства горных пород и грунтов приводит к общему опусканию поверхности городов и к активизации местных, очаговых оползневых, солифлюкционных, карстовых процессов. Загрязнение подземных вод происходит за счет инфильтрации с поверхности, протечек канализации, инфильтрации свалок бытового мусора. 7. Преобразование биосферной компоненты в условиях города В планировании городов России, экологических, санитарно-эпидемиологических программах практически не учитывается преобразованная городом биосферная компонента, которая включает:  все виды зеленых насаждений; 86  городские популяции животных – голуби, вороны, галки, водоплавающие птицы, крысы и мыши, одомашненные насекомые – комары, блохи, тараканы, клопы; микробиологическое и вирусное население жилых зданий и квартир. Экологические ниши, освободившиеся от представителей дикой природы, занимают одичавшие кошки и собаки, во многих городах Индии – священные коровы и обезьяны. Эти животные при эпидемиях бешенства или генетической агрессивности становятся опасными, особенно для детей. Постоянные «лаборатории, производители» микробов и вирусов – городские помойки. Неблагоприятная санитарно-эпидемиологическая обстановка, жилищная и транспортная скученность населения, повышенная комфортность городской жизни и привычная гиподинамия, «лекарственное давление», нарушение биоритмов, шумовое, электромагнитное, химическое и другие загрязнения оказывают комплексное воздействие на адаптационные возможности человека, на его иммунологический статус, здоровье, их «биологическое качество»:  наследственные заболевания;  наследственная предрасположенность к болезням;  низкий иммунологический статус;  возрастная хронизация болезней. Все это просто немыслимо в живой природе. Проблемы экологии больших городов перерастают в проблемы здравоохранения. Лекция 7 Основы экологической экономики Современный этап экологической экономики представляет собой полицейско-правовую штрафную систем. Она призвана предотвратить загрязнение и наказать тех, кто нарушает допустимые нормы выбросов загрязнений. Всякий предприниматель, организуя производство, стремится переложить экологические последствия своей нормативных допустимы выбросов деятельности на государство, граждан, следующие поколения людей. Загрязняя окружающую среду, он перекладывает свои затраты на дополнительные затраты людей. Так, например, если Вы вынуждены каждое утро мыть свой автомобиль от пыли, осевшей за ночь из выбросов ближайшего завода, то ваши затраты времени и средств – это плата, переложенная на вас заводом. В современную систему охраны окружающей среды входит ряд инструментов и рычагов, основывающихся на методах правовой защиты. К числу этих методов относятся экологические образование, экспертиза, аудит, сертификация, экологическое и др. 87 1. Экологическое образование Первейшей целью экологического образования является достижение осознания человеком долга его перед природой. Эта задача не решается ни одной из всех других существующих наук. Но если сейчас существующий у человека разрыв между действиями, мотивами и воздействиями последствий не ликвидировать, то человечество погибнет. Так, например, плутоний, зарытый в землю, сохраняет 50 % своей высокотоксичной массы через 24 тыс. лет. Проблема сохранения окружающей природной среды (ОПС) в значительной степени состоит в преодолении ряда сложившихся стереотипов поведения людей. Так, если Вы рубите дерево, и оно падает на Ваш дом, то Вы сразу понимаете, что сделали что-то не так. Но если Вы принимаете решение о строительстве предприятия без системы очистки сбрасываемых стоков в реку, то о последствиях своего решения Вы можете не узнать вообще. В настоящее время в сознании человечества отсутствует единство экологических знаний. Все, с разной степенью вероятности, предвидят экологическую катастрофу, но не знают, как ее предотвратить. Многие понимают, что проблема в том, что не работает система стимулов. Поэтому задача заключается в том, чтобы поднять экологическую культуру человечества, чтобы люди осознали экологическую угрозу и смог-ли отказаться от многих своих потребностей, губительных для ОПС. Необходимы аскетические идеалы, необходима мудрость для осознания гармонии человека и природы. Эти цели преследует экологическое образование. 2. Экологическая экспертиза Экологическая экспертиза устанавливает соответствие намечаемой хозяйственной или иной деятельности экологическим требованиям в целях предупреждения возможных неблагоприятных экологических воздействий Государственная экологическая экспертиза является организационно-правовой формой предупредительного контроля. Цель государственной экологической экспертизы заключается в проверке и оценке объекта экспертизы на соответствие требованиям охраны окружающей природной среды и экологической безопасности. Поведение экологической экспертизы обязательно для всех проектов и программ. В качестве гарантии обязательности Государственной экологической экспертизы является возможность открытия финансирования работ только при наличии положительного заключения экспертизы. Экологическая экспертиза является одним из механизмов охраны ОПС. Ответственность за нарушения Государственной экологической экспертизы установлена законом РФ. Экологическая экспертиза становится одной из важных функций государственной экологической политики. Сейчас уже невозможно представить превентивное правовое регулирование хозяйственной деятельности без экологической экспертизы, нацеленной на снижение экологического риска при 88 принятии решений. Еще более глубоким и объемным вариантом проведения экологической экспертизы в последние годы служит оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС). ОВОС проводится при разработке всех вариантов предпроектной, в том числе прединвестиционной и проектной, документации. Процедура ОВОС предшествует проведению государственной экологической экспертизы и выполняется для предварительной оценки прямого или косвенного воздействия, которое может оказать хозяйственная или иная деятельность на окружающую среду и в первую очередь на здоровье людей, экосистемы и отдельные виды растений и животных. Организует и обеспечивает ОВОС заказчик проекта, финансируя всю деятельность по оценке воздействия. Согласно Международной конвенции ОВОС в полном объеме проводится для таких объектов, как тепловые электростанции, АЭС мощностью больше 300 МВт, нефтеочистительные заводы, нефте- и газопроводы, метрополитены, крупные плотины и водохранилища и другие экологически опасные крупные объекты. Перед началом проектирования и проведения ОВОС заказчик готовит «Уведомление о намерениях». Итогом ОВОС служит официальное «Заявление о воздействиях на окружающую среду». После прохождения процедуры ОВОС, его материалы вместе с заявлением о воздействиях на окружающую среду направляются на государственную экологическую экспертизу 3. Экологическая аттестация и паспортизация Экологическая аттестация и паспортизация служат для документального описания эколого-экономических характеристик объектов природоохранной деятельности: территорий, территориально-производственных комплексов и хозяйственных объектов. Экологический паспорт предприятия учитывает все виды техногенных воздействий на окружающую среду и сравнительного анализа вклада производственных процессов в загрязнение окружающей среды. Он содержит нормативно-справочную, фактографическую и отчетную информацию об экологичности производства. В экологический паспорт вносится, периодически корректируется и обновляется информация об исходных данных для расчета материально-энергетических балансов, нормативы ресурсопотребления, производственных циклов. Важными разделами паспорта являются результаты инвентаризации отходов производства, в том числе газовых выбросов, сточных вод, твердых и жидких отходов. В паспорте приводятся сведения о планируемых и фактических затратах на мероприятия по достижению нормативных допустимы выбросов, нормативных допустимы сбросов и других природоохранных мерах. Паспорт дает возможность осуществить экологическую аттестацию хозяйственного объекта по признакам его соответствия требованиям предельно допустимой техногенной нагрузки и экологической техноемкости территорий. 89 4. Экологическая сертификация Одним из направлений решения вопросов обеспечения качества окружающей среды, охраны здоровья, обеспечения безопасности потребителя различных товаров и услуг является сертификация. Сертификация может быть обязательной или добровольной. Обязательная сертификация – это подтверждение уполномоченным на то органом соответствия товара, работы, услуг обязательным требованиям стандарта. Добровольная сертификация – сертификация, проводимая по инициативе изготовителя (исполнителя), поставщика или потребителя продукции. Сертификация представляет собой систему подтверждения соответствия продукции определенным требованиям. Она широко распространена во всем мире. Используется с двоякой целью: 1) для защиты человека и окружающей среды от потенциально опасной продукции; 2) для уверенности потребителя в качестве приобретенного товара. Экологическая сертификация является управленческой мерой по обеспечению качества товара, работ, услуг экологического характера. Она проводится с целью создания экономико-правового механизма по реализации права граждан на благоприятную окружающую среду. Экологическая сертификация способствует: 1) внедрению экологически безопасных технологических процессов и оборудования; 2) производству экологически безопасной продукции, повышению ее качества и конкурентоспособности; 3) совершенствованию управления хозяйственной и иной деятельностью; 4) интеграции экономики страны в мировой рынок. 5. Экологический аудит Одним из важных рычагов экологизации управления предприятием является экологический аудит. Экологический аудит – это систематически проводимый и документированный процесс проверки, заключающийся в объективном получении и оценке информации с целью определения соот-ветствия конкретных экологических мероприятий, условий, систем управления и информации о них критериям аудита. Результаты этого процесса передаются заказчикам. Экологический аудит проводится при решении вопросов: 1) организацим природоохранной деятельности на промышленных предприятиях; 2) заключения договоров на экологическое страхование; 3) финансирования экологических мероприятий и программ; 4) инвестирования в природоохранную, хозяйственную и иную деятельность; 5) выдачи лицензии на отдельные виды деятельности в области охраны окружающей среды. Объектами экологического аудита являются действующие и строящиеся предприятия, работа которых оказывает или может оказать воздействие на окружающую природную среду. 90 6. Экологическое страхование Экологическое страхование означает страхование гражданско-правовой ответственности владельцев потенциально опасных объектов в связи с необходимостью возмещения третьим лицам ущерба, вызванного технологической аварией или катастрофой. Известно, что деятельность человека всегда связана с экологическим риском. Экологический риск обуславливает экологический ущерб, т.к. экологический риск (независимо от того, что является источником опасности) связан с возможным ущербом для состояния экосистемы, хозяйственной деятельности и здоровья людей. Поэтому одним из способов обеспечения экологической безопасности является система экологического страхования. Экологическое страхование создает взаимную заинтересованность и страхователя, и страховщика в снижении риска аварий. Кроме того, оно позволяет уменьшить разовые издержки отдельного предприятия при нанесении им ущерба в результате экологической аварии, а пострадавшим дается гарантия, что они получат причитающуюся по закону сумму компенсаций за причиненный им вред независимо от финансового состояния источника вреда. Различают следующие виды экологического страхования: личное, имущественное и страхование экологической ответственности. Первых два имеют значение для граждан. В страховании экологической ответственности отдельные граждане не участвуют, хотя оно затрагивает и их интересы, создавая дополнительное финансирование гарантии компенсации экологоэкономического ущерба. Страхование ответственности за причинение ущерба предполагает формирование специальных денежных фондов (резервов) за счет уплачиваемых страхователями страховых взносов для компенсации вероятных потерь и предотвращения загрязнения окружающей среды. Эти потери принимает на свою ответственность страховщик в соответствии с договором страхования. Экологическое страхование предусматривает покрытие затрат на ликвидацию последствий загрязнения, возмещение имущественного интереса третьими лицами, пострадавшими от вредных воздействий. Объект страхования – это риск гражданской ответственности, которая выражается в предъявлении страхователю претензий о возмещении вреда юридическими или физическими лицами. Экологическое страхование аккумулирует денежные средства в фондах страховых организаций. При наступлении страховых случаев эти средства используются для компенсации ущерба третьим лицам. 8. Экологические фонды Для решения неотложных природоохранных задач, восстановления потерь в ОПС, компенсации причиненного вреда в РФ создана Единая система внебюджетных государственных экологических фондов. Их образование дает возможность осуществлять дополнительные мероприятия по охране ОПС сверх ассигнований государственного бюджета. Основное назначение экологических 91 фондов заключается в обеспечении надежного финансирования различных видов природоохранной деятельности. Система экологических фондов включает федеральный, республиканские, краевые, областные и местные экологические фонды, страховые фонды окружающей среды, а также экологические фонды организаций и предприятий. Экологические фонды, являются неотъемлемой частью экономического механизма природопользования, образуются за счет средств, поступающих от предприятий, отдельных граждан, а также от иностранных лиц. Данные фонды формируются за счет следующих платежей: 1) за загрязнение окружающей среды; 2) за сверхнормативное использование природных ресурсов; 3) платы по искам в возмещение ущерба; 4) штрафов за нарушение природоохранного законодательства, экологических норм, правил, стандартов; 5) средств от реализации незаконно добытых природных ресурсов. Расходование фондов осуществляется по следующим направлениям: оздоровление ОПС; 2) реализация программ по охране ОПС; 3) строительство очистных сооружений; 4) внедрение экологически чистой технологии; 5) компенсация вреда здоровью граждан; 6) научные исследования; 7) экологическое воспитание и образование. 9. Эколого-экономический учет природных ресурсов и загрязнителей Экономические, экологические и некоторые другие показатели природных ресурсов обычно обобщают в виде кадастров. Кадастр (франц. cadastre) – систематизированный свод сведений, количественно и качественно характеризующих определенный вид природных ресурсов или явлений, в ряде случаев с их социально-экономической оценкой. Кадастры составляют специально уполномоченные органы Госкомэкологии России для комплексного учета природных ресурсов на территориях республик, краев и областей, рационального их использования, для дифференциации платы за ресурсы и т. д. Различают земельный, водный, лесной кадастр, недр, животного мира, медико-биологический, промысловый и другие виды кадастров. Земельный кадастр включает данные регистрации землепользователей (собственники, пользователи, арендаторы), учета количества и качества земель, бонтировки (качественной оценки земель). Водный кадастр – это свод систематизированных данных о водных объектах, водных ресурсах, режиме, качестве и использовании вод, а также о водопользователях. Он включает три раздела: 1) поверхностные воды; 2) подземные воды; 3) использование вод. Источником сведений для составления и пополнения водного кадастра служит сеть наблюдательных гидрологических постов и режимных станций. Полученные данные обрабатывают с помощью специальной автоматизированной информационной системы и доводят до потребителя. 92 Лесной кадастр – свод данных о лесах, степени их вовлечения в эксплуатацию, качественном составе, запасах древесины, ежегодного ее прироста и т. д. С помощью кадастра оценивают эколого-экономическое значение лесов, решают вопросы охраны лесных ресурсов, другие практические вопросы (выбор лесосырьевых баз и др.). Аналогичные или близкие к ним функции выполняют кадастры и других природных ресурсов. К числу кадастров природных ресурсов с некоторой долей условности относят и Красную книгу редких исчезающих животных и растений. В последнее время в связи с обострением экологической ситуации возникла необходимость учета размещения отходов по составу и степени токсичности, а также регистрации загрязнителей окружающей среды. Объектом регистрации служат все опасные и потенциально опасные вещества, независимо от их происхождения, производимые как на территории России, так и ввозимые из-за рубежа. 10. Лицензии, договоры и лимиты на природопользование Порядок пользования природной средой и природными ресурсами основывается на принципах охраны природной среды и неистощимости использования природных ресурсов, создания нормальных экологических и экономических условий для ныне живущих и будущих поколений, обеспечения приоритетных направлений природопользования, учета и контроля за окружающей средой (Постатейный комментарий к Закону России, 1993). Эффективными средствами охраны окружающей среды и рационального природопользования служат такие экономические рычаги, как лицензии, договора и лимиты. Лицензия удостоверяющий право его владельца на использование в фиксированный период времени природного ресурса (земель, вод, недр и др.), а также на размещение отходов, выбросы и сбросы. В лицензию на комплексное природопользование включают: – перечень используемых природных ресурсов, лимиты и нормативы их расхода и изъятия; – нормативные платы на охрану и воспроизводство природных ресурсов; – перечень, нормативы и лимиты выбросов (сбросов) загрязняющих веществ и размещение отходов; – нормативы платы за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов; – экологические требования и ограничения, при которых допускается хозяйственная или иная деятельность. Лицензия на комплексное природопользование выдается органами Минприроды России сроком на один год, но в ряде случаев право пользования ею может быть досрочно прекращено, если возникает угроза экологической безопасности населения. 93 Лицензия имеет существенное значение не только как средство защиты окружающей среды, но и как один из способов регулирования природопользования. Принципы неистощимости природных ресурсов и охраны природной среды могут быть соблюдены лишь при комплексном природоиспользовании, т. е. в тех случаях, когда использование одного ресурса не оказывает вредного воздействия на другие ресурсы. Поэтому, получив лицензию и пройдя соответствующую экспертизу на предполагаемую деятельность, природопользователь должен заключить договор о комплексном природопользовании. 8. Современный подход к экономическим проблемам экологии Известно, что корни экологических проблем лежат в экономике. Это предопределяет главную цель современной природоохранной стратегии – увязать экологические требования с объективными экономическими законами, побуждающими вкладывать средства только в то, что дает прибыль. Отсюда вытекает практическая задача: переход в основном от административных, преимущественно к экономическим методам управления природоохранной деятельностью. Трудность состоит в создании мотивации для экологически разумного поведения людей. Государственная штрафная система оказалась не очень эффективной. Сейчас входит в силу другой подход к охране ОПС. Введение платы за используемые природные ресурсы принципиально меняет отношение предпринимателей к окружающей среде. Если за выбросы в атмосферу, отчуждение земли, складирование отходов следует платить, то цена экологически чистой технологии оказывается ниже других вариантов. Если за воду устанавливается высокая плата, то предприятие готово использовать для технических целей внутренний замкнутый цикл. Переход от штрафных санкций к платежам фактически означает переход от экологии природопользования к экологии природосбережения. Лекция 8 Экологический кризис, пути выхода из экологического кризиса, международное сотрудничество по преодолению экологического кризиса Экологическим кризисом называют сложившееся в настоящее время состояние взаимоотношений между человеческим обществом и окружающей природной средой, в которой человек живет, в которой до предела обострены противоречия между экономическими интересами общества в потреблении и использовании природной среды и экологическими требованиями обеспечения сохранности, качества этой среды для выживания самого общества. 94 Рассматривая структуру экологического кризиса, выделяют две стороны:  естественную;  социальную. 1. Естественная сторона экологического кризиса Естественная сторона экологического кризиса объединяет в себе признаки деградации, разрушения природной среды:  глобальное потепление климата, парниковый эффект;  общее ослабление озонового слоя Земли; появление озоновых дыр;  загрязнение атмосферы, образование кислотных дождей, фотохимические реакции с образованием озона, перекисных соединений из CnHm;  загрязнение мирового океана, захоронение в нем высокотоксичных и радиоактивных отходов (дампинг), загрязнение нефтью, нефтепродуктами, пестицидами, ПАВ, тяжелыми металлами, тепловое загрязнение;  загрязнение и истощение поверхностных вод, нарушение баланса между поверхностными и грунтовыми водами;  загрязнение поверхности земли всем комплексом загрязнителей: ТБО, тяжелыми и радиоактивными элементами, изменение геохимии земли и грунтовых вод;  сокращение лесных площадей (сведение лесов ) в результате пожаров, промышленных рубок, потерь уже заготовленной древесины, кислотных дождей, незаконных порубок, вредных насекомых и болезней, поражений промышленными выбросами (в том числе – ядерные аварии);  деградация почв, опустынивание в результате сведения лесов, нерационального землепользования, засухи, перевыпаса скота, нерационального орошения (заболачивание, засоление);  освобождение существующих и возникновение новых экологических ниш, заполнение их нежелательными живыми организмами;  нарушение экологического баланса в глобальных и региональном масштабах, общее перенаселение планеты и высокая плотность населения в различных регионах, ухудшение качества среды жизни в городах. Отдельного рассмотрения заслуживает рост численности человечества на Земле. Численность вида животных в природе ограничивается емкостью среды и на протяжении длительного времени статистически мало меняется, колеблясь около некоторого постоянного уровня. Как правило, мелкие животные имеют большую численность и больший размах ее колебаний по сравнению с крупными животными. Для млекопитающих существует выраженная отрицательная корреляция между массой тела и числом особей (см. рис. 1). Если считать массу тела человека 10–100 кг, размах численности его не должен превышать 1 миллион индивидов. Согласно экспертным оценкам популяция 95 первых людей (1 млн. лет назад) насчитывала около 100 тысяч индивидов, к времени появления вида Homo Sapiens – около 500 тысяч, 30–20 тысяч лет назад – около 5 млн. человек. В настоящее время численность человека превышена на 4 порядка по сравнению с первоначальной (более чем в 10000 раз), продолжительность жизни людей в среднем в 2–2,5 раз превышает естественную продолжительность жизни млекопитающих с такой же массой тела. Эмпирическая зависимость продолжительности жизни от массы тела млекопитающего: А=11∙W0,22, где W – масса тела млекопитающего, А – расчетная продолжительность жизни млекопитающего. Для человека с массой тела 70 кг продолжительность жизни согласно этой формуле должна составлять около 28 лет. В эпоху неолита (10 тыс. лет назад) согласно данным ученых-антропологов продолжительность жизни человека составляла около 20 лет. Каковы следствия такого неконтролируемого роста народонаселения? Количественная экспансия. Человек в пищевых цепях выступает в роли консумента, численность которого в 10000 раз превышает естественную биологическую численность, что не может не сказаться на биотическом равновесии и конкурентных взаимоотношениях в природе. Конкуренция за пищу – человечество съедает большую часть продовольственных ресурсов, выделяемых природой для конечных консументов. «Львиная» доля – ничтожна. Физическая масса людей составляет 1/20 массы видов животных суши и около 1/2 всех млекопитающих. Следовательно, современные популяции людей не могут входит в естественные биоценозы. Влияние человека на природу не ограничивается только биотическим влиянием. Качественная сторона экспансии человечества на природу – касается как природы, так и самого человека. Ксенобиотики – преобладающая масса веществ и материалов, которая вовлекается обществом в производство и потребление, а затем попадает в окружающую среду, не утилизируется в природном биотическом круговороте, оказываясь балластом или загрязнителем. Качество людей при быстром росте численности существенно падает. Отключение большинства механизмов естественного отбора, успехи гигиены и медицины, спасение большинства больных и перевод острых заболевания в хронические формы, подмена защитных сил организма лекарствами и процедурами, сохранение жизни людей с отягченной наследственностью, загрязнение окружающей среды, стрессы, курение, алкоголь, наркотики – не способствуют сохранению здорового видового генофонда. Одаренность – с ростом численности людей перестал действовать фактор естественного отбора за ум, который действовал на ранних стадиях антропогенеза (значительная часть рода была прямыми потомками вождя – выделяющегося суммой качеств, в которых интеллект был немаловажной составляющей). 96 Врожденный интеллектуальный потенциал человека (средний IQ) остался на уровне доисторического кроманьонца. Социальные качества, воспитанность – прежде всего, выступают как проявления закона «на всех не хватит» и тесно сопряжены с экономикой. Степень неравенства (экономического, социального) жизненных шансов у людей такова, какой никогда не бывает в природе в пределах одного стабильного вида животных. Рост народонаселения за счет малоразвитых стран только усиливает это социальное неравенство. 2. Социальная сторона экологического кризиса Социальная сторона экологического кризиса проявляется в следующих явлениях социального характера: 1. В неэффективности работы специальных органов по охране окружающей среды, охране и использованию лесов, рыбных ресурсов, животного мира, недр. 2. В противостоянии представительных и исполнительных органов власти, местного самоуправления, что усугубляет неэффективность работы. 3. В неспособности правоохранительных органов обеспечить контроль и надзор за выполнением законов об охране окружающей среды. 4. В массовом эколого-правовом нигилизме, неуважение эколого-правовых требований, нарушение и невыполнение их. Пути выхода из экологического кризиса, в сущности сводятся к необходимости: 1. Сдержать рост населения. 2. Снизить природоемкость экономики. Вокруг этих проблем и формируются модели, программы, в том числе и международные, по выходу из экологического кризиса и дальнейшему развитию человечества. 3. Международное сотрудничество по преодолению экологического кризиса Назревание конфликта между природой и человеком предсказывалось с незапамятных времен, надпись иероглифами на пирамиде Хеопса гласит: «Люди погибнут от неумения пользоваться силами природы и от незнания истинного мира». Близкие пророчества содержатся в религиях древних персов, индусов, Библии. Основания для подобных суждений находили и ученые (Ж.Б. Ламарк и др.) 1968 г. – создание «Римского клуба» по инициативе одного из экономических директоров компании «Фиат». Цель – построить прогнозы близкого будущего и представить мировому сообществу доводы о необходимости мер для предотвращения глобального эколого-экономического кризиса. 1972 г. – первый доклад « Римского клуба» – «Пределы роста», годом раньше – книга Дж Форрестера «Мировая динамика». Первые прогнозы, модели 97 экологического развития были несовершенны, т.к. не учитывали многих факторов, основывались лишь на экономике и безопасности человека. Но главный итог начинаний «Римского клуба» – ответ на стратегический вопрос: «Угроза глобального экологического кризиса реальна и велика, нельзя избежать значительных потерь для человечества, если не сдержать рост, а затем и не уменьшить природоемкость мировой экономики». Программы охраны окружающей среды (ПООС) – естественная реакция промышленно-развитых стран на угрозу экологического кризиса, т.к. до сих пор считается, что именно техногенное загрязнение среды лежит в основе этой угрозы или является главным ее компонентом. Это представление связано с попыткой положительно ответить на вопрос, можно ли сохранить природоемкость экономики, не затрагивая ее фундамента, а лишь уменьшая загрязнение окружающей среды. «Генеральная уборка и всеобщая чистка» при сохранении темпов экономического роста и минимальном влиянии на основные параметры экономики – это в принципе невозможно, если не изменяется валовая отходность материального баланса и производства. 1972 г. – Первая всемирная конференция по окружающей среде в Стокгольме (участвовали 113 государств). Генеральный секретарь Конференции Морис Стронг впервые сформулировал понятие экоразвитие – экологически ориентированное социально-экономическое развитие, при котором рост благосостояния людей не сопровождается ухудшением среды обитания и деградацией природных систем. Стокгольмская конференция мягко поставила задачи выработки практических принципов экоразвития, для которых велись исследования по четырем направлениям: 1. Тенденции, мировая динамика развития эколого-экономической ситуации при различных сценариях экономического роста и специализации. 2. Естественно-научное прогнозирование состояния природных комплексов и климата. 3. Изучение возможностей экологической регламентации использования природных ресурсов и качественной экологизации производства. 4. Организация международного сотрудничества и координации усилий в области решения региональных и национальных задач экоразвития и управления природопользованием. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) – специально созданная для разработки этих проблем структура. 1983 г. – По инициативе Генерального секретаря ООН создана МКОСР – международная комиссия по окружающей среде и развитию («Комиссия Брунтланд» – возглавлена Гру Харлем Брунтланд – премьер-министр Норвегии). 1987 г. Отчет МКОСР «Наше общее будущее», в котором был резко обострен вопрос о необходимости поиска новой модели цивилизации. 98 «Концепция устойчивого развития» – вошла в обиход со времени опубликования и одобрения Генеральной Ассамблеей ООН доклада МКОСР – «Комиссии Брунтланд» – это такая модель социально-экономического развития, при которой достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей без того, чтобы будущие поколения были лишены такой возможности из-за исчерпания природных ресурсов и деградации окружающей среды. Основные положения «Концепции устойчивого развития» по отчету МКОСР (1987): 1. Человечество способно придать развитию устойчивый и долговременный характер, чтобы оно отвечало потребностям ныне живущих людей, не лишая будущие поколения возможности удовлетворять свои потребности. Главные условия для этого:  справедливость в реализации права людей на экологическую безопасность и благоприятную среду обитания;  приостановка необратимого расходования незаменимых природных ресурсов;  сохранение необходимого качества ОС и возможность экологической регенерации;  прекращение и преодоление утрат генофонда человечества и окружающей природы. 2. В основе КУР – бережное отношение к имеющимся глобальным ресурсам и экологическому потенциалу планеты. Необходимые ограничения в эксплуатации природных ресурсов не абсолютны, а относительны, и связаны с современным уровнем техники и социальной организации, со способностью биосферы справляться с последствиями человеческой деятельности. Размеры и темпы роста численности населения допускают устойчивое развитие, если они согласуются с меняющимися производительными потенциалами эколого-экономических систем. 3. Нищета не является неизбежной и не есть зло в себе. Для обеспечения устойчивого и долговременного развития необходимо удовлетворить элементарные потребности всех людей и всем предоставить возможность реализовать свои надежды на лучшую жизнь. В мире, в котором нищета приобрела хронический характер, всегда будут возможны экологические и другие катастрофы. Для людей категории бедноты должны существовать гарантии того, что они получат причитающуюся им долю ресурсов при экономическом росте. Для этого необходимо демократическое обеспечение участия граждан в процессе принятия решений. 4. Для устойчивого глобального развития требуется, чтобы те, кто располагает большими средствами, согласовали свой образ жизни с экологическими возможностями планеты, например в том, что касается потребления энергии, а их помощь развивающимся странам не приводила бы к усилению чрезмерной эксплуатации природных ресурсов этих стран. 99 5. Устойчивое развитие – не неизменное состояние гармонии, а процесс изменений, в котором масштабы эксплуатации ресурсов, направление капиталовложений, ориентация технического развития и институционные изменения согласуются с нынешними и будущими потребностями. «В конечном счете, в основе устойчивого развития должна лежать политическая воля» – все эти положения Концепции Устойчивого Развития звучат не как идеология конкретных действий, а как наивная оптимистическая надежда, которая пытается примирить непримиримое:  сохранить по возможности цивилизацию потребления как «отвечающую потребностям ныне живущих и будущих поколения людей»;  решить задачу сохранения природы в рамках цивилизации, уничтожающей природу. В Концепции Устойчивого Развития нет ни слова о необходимости остановить экономический рост и сократить масштабы материального производства (напротив, воспринимается как «устойчивый экономический рост» – что подхвачено некоторыми политическими кругами России). РИО-92. В 1992 в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию (КОСР-92), в которой приняли участие 179 государств, представители неправительственных организаций, научных и деловых кругов. Отчет и ряд документов, принятых в РИО – 92 касался большинства экологических проблем, составляющих современный экологический кризис – беспрецедентный по масштабу перечень намерений, претендующий на всемирную программу действий. Глава делегации России А. Руцкой легкой рукой подписал все документы и соглашения КОСР–92, но единственное что сделала Россия после этого для их выполнения – вдвое снизила объем промышленного производства, причем природоемкость его уменьшилась не так заметно. На Международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 г. перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 г. на 20 % промышленные выбросы углерода в атмосферу. На Конференции ООН в Киото (Япония) в 1997 г. правительствами большинства стран мира был подписан Киотский протокол – международное соглашение о контроле за выбросами парниковых газов в 2008–2012 гг. Цель протокола – в течение 5 лет создать новый экономический механизм снижения выбросов – торговлю квотами. Предусмотрено, что страны, подписавшие протокол, могут перераспределять (например, перепродавать) между собой разрешенные им объемы выбросов. К началу 2005 г. Киотский протокол ратифицировали 124 государства, в том числе и Российская Федерация, после чего он вступил в силу. Но очевидно, что ощутимый экологический эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики – максимально возможным сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли. 100 Действие Киотского протокола заканчивается и ему на смену придет Парижское соглашение. 4. Перспективы человечества по преодолению глобального экологического кризиса Концепция экоразвития По праву первой концепцией нового времени назвать концепцию экоразвития. Именно в ней впервые были сформулированы идеи соизмерения экономического развития с возможностями природных систем, идея уравновешенности, сбалансированности между экономическими и экологическими требованиями. Новую концепцию развития предложил М. Стронг в своем докладе на Первой Всемирной конференции по окружающей среде (Стокгольм, 1972). В этом же докладе он призвал мировое сообщество к смене парадигмы развития, к переходу от экономического развития к эколого-экономическому. Суть концепции состояла в том, что экономический рост возможен только в рамках допустимого эколого-экономического баланса. Новая форма организации человеческого хозяйства потребовала бы принципиально новой функциональной и организационной структур управления. Концепция экоразвития продержалась недолго и плавно трансформировалась в концепцию устойчивого развития. Концепция устойчивого развития Положения «Концепции устойчивого развития» звучат не как идеология конкретных действий, а как наивно-оптимистическая надежда. Эта концепция пытается примирить непримиримое: сохранить по возможности цивилизацию потребления, так как она «отвечает потребностям ныне живущих и будущих поколений людей», и решить задачу сохранения природы в рамках цивилизации, уничтожающей природу. Это невозможно! Чувствуется, что концепцию устойчивого развития разрабатывали вполне благополучные интеллектуалы. Отсюда:  преувеличение «способности биосферы справляться с последствиями человеческой деятельности»;  лицемерные сентенции о нищете;  надежда на то, что толстосумы (страны, корпорации, люди) согласятся основательно раскошелиться;  пустые слова о политической воле. Авторы концепции не могут не понимать истинного положения вещей и поэтому исходят из доводов «от противного» (похоже, что деваться некуда, но надо же надеяться на какой-нибудь свет в конце туннеля!). В конечном счете все это 101 выглядит как пропагандистская и совершенно беспомощная попытка обойти закон «на всех не хватит». В концепции нет ни слова о необходимости остановить экономический рост и сократить масштабы материального производства. Наоборот, «устойчивое развитие» воспринимается большинством именно как устойчивый экономический рост. Лозунги устойчивого развития охотно подхватили политические круги России, видимо, вспоминая привычный «неуклонный рост материального и духовного благосостояния всего советского народа». В «Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию», утвержденной Указом Президента РФ от 1 апреля 1996 г., отмечено: «Идеи устойчивого развития оказываются чрезвычайно созвучными духу и менталитету России». Первоначальная трактовка понятия «sustainable development» в экологической экономике означает поддерживающее развитие, т.е. развитие, поддерживающее состояние общества на экологически допустимом уровне, без количественного роста потребления природных ресурсов. В концепции устойчивого развития этот смысл искажен и превращен в плохо завуалированное и абсолютно безнадежное желание богатых стран и слоев общества сдержать стремление бедных к повышению благосостояния. Многократное повторение тезиса о том, что развивающиеся страны не должны следовать по пути, которым пришли к своему богатству и благополучию развитые страны, воспринимается в развивающихся странах как социально политическая дискриминация. Мы, вид Homo sapiens (точнее — quasisapiens), не желаем подчиняться закону устойчивости экосистем, исключающей экспоненциальный рост численности и потребления. Но нет и оснований для надежды, что это может пройти для нас безнаказанно. Следует помнить также, что с экологической точки зрения «устойчивое развитие» — бессмыслица: для экосистем устойчивость и развитие (в нашем «экономическом» понимании) альтернативны. Концепция Ноосферы Принадлежит В.И. Вернадскому: «Изменение природы «силой культурного человечества» становится явлением геологического масштаба». Человек как часть биосферы своим трудом многократно усиливает планетарную функцию живого вещества, она все больше становится управляемой человеческим разумом. Этот процесс естественно и неизбежно приводит к постепенному преобразованию земной биосферы в «мыслящую оболочку», сферу разума — ноосферу. Эпохе ноосферы должна предшествовать глубокая социально-экономическая реорганизация общества, изменение его ценностной ориентации. Этим в сущности исчерпывается все содержание идей В.И. Вернадского о ноосфере. Сколько-нибудь развернутого и последовательного научного описания процесса ноосферогенеза и самой ноосферы с какими-то ее отчетливыми характеристиками, т.е. того, что по праву можно было бы назвать учением о ноосфере, 102 не существует. Но этого и нельзя требовать от представлений о далеком будущем. С футурологической точки зрения, например, учение о коммунизме разработано куда более подробно, чем идея ноосферы. Вообще к биосфере, даже в ее высшей формации, впрочем, как и ко всему человеческому обществу, не стоит применять критерий разумности. Речь скорее должна идти о целесообразности. На Западе упоминания о ноосфере отсутствуют или очень редко проскальзывают в трудах философов. У нас же она считается экологическим идеалом, конечной целью устойчивого развития. Концепция перехода России к устойчивому развитию завершается словами: «Движение человечества к устойчивому развитию в конечном счете приведет к формированию предсказанной В.И. Вернадским сферы разума (ноосферы), когда мерилом национального и индивидуального богатства станут духовные ценности и знания Человека, живущего в гармонии с окружающей средой». В настоящее время никаких намеков на гармоничность взаимодействий нет. Человеческая деятельность на протяжении всей истории и особенно сильно в XX в. была по отношению в экосфере целиком деструктивна. Человечество не приближается к ноосфере, а с большой скоростью движется в противоположном направлении. С другой стороны, большие сомнения вызывает принципиальная возможность контроля над биосферой со стороны человека. Наряду с колоссальным деструктивным вмешательством в обмен веществ и энергии в экосфере человек на самом деле контролирует лишь ничтожную часть из миллионов видов живых существ. Для того чтобы контролировать все виды и все взаимодействия между организмами, необходимо, чтобы информационные возможности человека были сопоставимы с объемом потоков информации в естественной биоте. Но они несопоставимы: разрыв составляет 20 порядков и в принципе не может быть существенно сокращен. Теоретически человечество может и, судя по практическим делам, предпочитает избрать другой путь: резко уменьшить число видов организмов, которых нужно контролировать, и попытаться взять на себя средорегулирующую функцию экосферы. Но тогда, в соответствии с правилом 1 %, на стабилизацию условий окружающей среды потребуется более 99 % энергетических и трудовых затрат, а на поддержание и развитие цивилизации останется менее 1 %. В этом случае природные биоценозы, утратившие естественные связи и способность стабилизировать окружающую среду, становятся не только ненужными, но и опасными. Они могут быть сохранены лишь в немногочисленных резерватах как памятники истории природы Земли, а все оставшиеся живые организмы будут превращены в контролируемые культурные виды. 103