Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет

Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
инженерно-экономический университет
А.С.Николаев
ЭКОЛОГИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2001
Утверждено
редакционно-издательским советом СПбГИЭУ
в качестве учебного пособия
Рецензенты:
кафедра общей химической технологии и промышленной
экологии СПб госуд. университета кино и телевидения
(зав. кафедрой, д-р хим. наук, профессор А.Н.Дьяконов),
д-р тех. наук, проф. В.Е.Сороко (СПб госуд. технологический институт (технический университет))
Николаев А.С.
Экология: Учеб. пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2001. – 176 с.
Обсуждены проблемы взаимодействия общества и природы. Рассмотрены понятия и термины экологии и природопользования. Проанализированы закономерности функционирования природных экологических систем. Особое внимание уделено влиянию потоков вещества и энергии на состояние природных экосистем. Приведены численные значения различных
показателей функционирования экосистем, необходимые для оценки рациональности природопользования. Представлены основные экологоэкономические показатели природопользования. Обоснована необходимость формирования экологической морали в целях нормального существования человеческого общества в глобальном масштабе.
Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей
СПбГИЭУ при изучении дисциплин «Экология», «Природопользование».
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ ..........................................................8
2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ..................................................14
2.1. Структура экологической системы. ......................................14
2.2. Равновесное состояние и динамические процессы в
экологических системах................................................................44
2.3. Стабильность функционирования природных
экологических систем и качество жизни.....................................77
3. ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ
АСПЕКТЕ ........................................................................................83
3.1. Классификация природных ресурсов по признаку
исчерпаемости................................................................................83
3.2. Экологические проблемы человечества .............................102
3.3. Экологические и эколого-экономические показатели
рациональности природопользования .......................................136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................153
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .....................................162
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ..............................165
3
ВВЕДЕНИЕ
Целесообразность
издания
данного
учебного
пособия
продиктовано особенностями подготовки специалистов в СанктПетербургском государственном инженерно-экономическом университете
(СПбГИЭУ):
необходимостью
конкретизировать
влияние потоков вещества и энергии, имеющих место при организации деятельности людей, на природные сообщества живых
организмов и каким образом эти потоки могут повлиять на само
человечество. Пособие составлено на основе лекций, читаемых в
СПбГИЭУ по дисциплинам «Экология» и «Природопользование». Наряду с комплексностью, пособие не подменяет в полном
объеме лекций по этим дисциплинам, тем более, если учесть непрерывно поступающую новую информацию.
Наличие разума выделило человека из всех живых существ:
человечество, обладая культурой, развивается по своим социально-экономическим законам. Но человек и часть природы, его
жизнь зависит от экологических условий окружающей среды.
К концу второго тысячелетия большинство ведущих ученых
мира и специалисты многих государств осознают роль экологических явлений в развитии цивилизации на Земле. В качестве основных при решении межгосударственных проблем и задач природопользования выдвинуты экологические критерии, что нашло
отражение в материалах конференции ООН по окружающей среде и развитию (3-14 июня 1992 г. Рио-де-Жанейро) – КОСР – 2.
4
Беспрецедентность масштабов и политического уровня
КОСР – 2 не вызывает сомнений. В Рио-де-Жанейро встретились
114 глав государств, дипломаты из 178 стран, представители
1600 неправительственных организаций, огромное число журналистов, представлявших разнообразные средства массовой информации. На конференции были одобрены пять основных документов: «Декларация Рио об окружающей среде и развитии»;
«Повестка дня-21», включающая соглашения о путях и средствах
осуществления «Заявления о принципах по управлению, сохранению и устойчивому развитию всех типов лесов»; «Рамочная
конвенция по проблеме изменения климата» и «Конвенция по
биологическому разнообразию» [21].
В 90-е годы ХХ-го столетия вице-президент США А. Гор
издает книгу «Сбалансированная Земля. Экология и дух человека».
Не вдаваясь в детали упомянутых выше материалов, только
на основании их названий, не трудно ощутить экологическую направленность.
В неблагоприятной экологической обстановке сегодня находятся многие из нас. Например, любое сырье тепловых электростанций содержит сульфид железа (FeS), который в процессе
сгорания окисляется до оксидов серы, при дальнейшем взаимодействии с атмосферной влагой образуется серная кислота
(H2SO4), последняя является основным компонентом осадков,
выпадающих на наши головы и окружающие предметы. Обратим
5
внимание на зеленовато-голубой налет бронзовых памятников
Санкт-Петербурга. Это не что иное как медный купорос (CuSO4 ·
5 H2O) - результат, прежде всего, кислотных дождей. В индустриальных районах кислотность атмосферных осадков может в
10000 раз превышать норму. Это приводит к заболеваниям людей. Исследования показали, что в полосе магистральных автомобильных дорог шириной 30-60 метров в почвах, грунтовых водах и растительности накапливаются свинец (Pb), цинк (Zn) и
другие тяжелые металлы в концентрациях, значительно превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК) [29]. Свинец является весьма токсичным для живых организмов: неорганические соединения Pb2+ нарушают обмен веществ и выступают
ингибиторами ферментов. Способность свинца заменять кальций
(Са) в костях приводит к их повышенной хрупкости и искривлению.
Но слова «экология», «экологический» не сводятся к примерам, подобным приведенным выше. Они затрагивают и характеризуют более глубокое содержание: суть существования всех
живых организмов на планете Земля, возможность нашего
здорового существования.
Из опыта общения с сегодняшними абитуриентами СанктПетербурга следует, что большинство из них не имеют даже
представления о содержании экологических явлений и процессов. На вопросы : «что такое экология?» – слышим ответы: «это
наука об окружающей среде .... о загрязнении...». Следствия и
6
общие разглагольствования скрыли смысл экологии. Вместе с
тем, именно молодым предстоит ответить на вопросы: «какой
срок популяция человека устанавливает себе для нормально существования?»; «что принять в качестве норм жизни людей?»
Сегодня актуально изучение проблем, связанных с рациональным природопользованием. Критериями рациональности являются экологические показатели.
Цель предлагаемой работы – обсудить основные положения современной экологии и раскрыть их значимость для рационального природопользования.
7
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИИ И
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
Высокое качество среды обитания и корректное использование природных ресурсов невозможны без понимания того, что
представляет собой природа, включая, прежде всего живые организмы, взаимосвязи их друг с другом и с окружающей средой (их
«домом»), как организмы взаимодействуют с человеком, какое
влияние на организмы оказывает производство, какие предельные нагрузки общество может допустить на природные системы,
чтобы не разрушить их с неизбежным ущербом для себя. Все эти
вопросы и являются предметом экологии и рационального природопользования.
Экология (от греч. oikos – жилище + logos – слово, учение)
– это наука, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов) между собой и окружающей неживой средой,
или наука о взаимоотношениях между живыми организмами и
средой их обитания. В основу положено определение Э. Геккеля.
Ключевое понятие экологической науки – экологические
системы. Под экологическими системами понимают совокупность всех популяций разных видов живых организмов, проживающих на общей территории (биотопе) вместе с окружающей их
неживой средой. Таким образом, любая экологическая система
включает две принципиально отличающиеся компоненты: 1) живую компоненту – биоценоз и 2) неживую – экотоп.
8
Природопользование – совокупность всех форм эксплуатации природно-ресурсного потенциала и мер по его сохранению
[31]. Природопользование включает: 1) извлечение и переработку природных ресурсов, их возобновление или воспроизводство;
2) использование и охрану природных условий среды жизни; 3)
сохранение (поддержание), воспроизводство (восстановление) и
рациональное изменение экологического баланса (равновесия)
природных систем, что служит основой сохранения природноресурсного потенциала развития общества. По Н. Ф. Реймерсу
[31] природно-ресурсный потенциал – это способность природных систем без ущерба для себя (а следовательно, и для людей)
отдавать необходимую человечеству продукцию или производить для него работу в рамках хозяйства данного исторического
типа. Иными словами природно-ресурсный потенциал – это та
часть природных ресурсов Земли и ближайшего космоса, которая
может быть реально вовлечена в хозяйственную деятельность
при данных технических и социально-экономических возможностях общества с условием сохранения среды жизни человечества,
т.е. без подрыва условий при которых может существовать и развиваться человек как биологический вид и социальный организм.
9
Упрощенно взаимодействие общества и природы иллюстрирует схема, представленная на рис. 1.
Население
+
+
+
Промышленное производство
+
+
+
+
+
Сельскохозяйственное
производство
А
+
Природноресурсный
потенциал
Загрязнение,
деструкция
экосистемы
А, В
Б
+
Время
Рис. 1.1. Схема взаимодействия общества и природы [29]
А – население
Б – промышленное и сельскохозяйственное производство.
Рис. 1.1. иллюстрирует следующие современные тенденции:
- Население (А), промышленное и сельскохозяйственное
производство (Б) имеют положительные связи. Население пред10
ставляет собой трудовые ресурсы, необходимые для роста промышленности и сельского хозяйства; промышленность обеспечивает человека материальными благами и содействует интенсификации сельского хозяйства; сельское хозяйство дает продукты
питания и сырье для промышленности.
- Положительные связи блоков А и Б являются причиной
быстрого безудержного роста как населения, так и промышленности и сельского хозяйства. Современная эпоха развития человеческого общества характеризуется тенденцией к экспоненциальному росту численности населения, потребления энергии, ресурсов, продуктов питания и т.п.
- Отрицательные обратные связи усиливаются по мере воздействия человека на окружающую среду; они служат причиной
ограничения роста населения и расширения хозяйства. Природные ресурсы положительно влияют на развитие общества, но интенсивное потребление отрицательно сказывается на их запасах и
воспроизводстве. Воздействие общества на природу вызывает загрязнение окружающей среды, отрицательно влияет как на условия жизни людей, так и на качество природных ресурсов – чистоту почвы, воды, воздуха.
В зависимости от того, какие тенденции доминируют во
взаимодействии между обществом и природой природопользование может носить рациональный или нерациональный характер.
Рациональное природопользование – высокоэффективное
хозяйствование, не приводящее к резким изменениям природно-
11
ресурсного потенциала (к которым социально-экономически не
готово человечество) и не ведущее к глубоким переменам в окружающей человека природной среде, приносящим урон его здоровью или угрожающим самой его жизни. Таким образом: рациональное природопользование – система деятельности, призванная обеспечить экономную эксплуатацию природных ресурсов и условий и наиболее эффективный режим их воспроизводства с учетом перспективных интересов развивающегося хозяйства и сохранения здоровья людей [31].
В случае нерационального природопользования не обеспечивается сохранение природно-ресурсного потенциала.
Природно-ресурсный потенциал, сохранение его, определяются уровнем экологического равновесия биосферы и ее подразделений – экологических систем. Поэтому, ниже, подробнее
обсудим закономерности функционирования природных экологических систем.
12
Вопросы для самостоятельных занятий
1. Расположите в порядке значимости три слова или словосочетания, характеризующих понятие «экология».
2. Что является отличительной чертой природно-ресурсного потенциала и рационального природопользования?
3. Что является причиной роста населения и производства?
13
2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
2.1. Структура экологической системы.
Объектом исследования экологии являются взаимоотношения живого организма или группы взаимосвязанных живых организмов. Для уяснения области компетенции экологии необходимо представить спектр уровней организации живой материи:
1. Молекулярный
2. Клеточный
5. Популяционно-видовой
3. Тканей и
органов
6. Экосистем
4. Организмов
7. Биосферы
Основная область компетенции экологии – уровень экологических систем (экосистем), но она простирается и на последующий седьмой уровень, и на два предыдущих (4 и 5); а также
на уровень 2, если учесть, что существует большая группа одноклеточных организмов (например, бактерии, некоторые водоросли, амебы, инфузории).
По уровню организации живых систем в классической экологии выделяют:
- аутэкологию (см. уровни: 2,4)
- демэкологию (см. уровень 5)
- синэкологию (см. уровень 6)
14
- глобальную (см. уровень 7)
Необходимо помнить, что самая высокая таксономическая
(групповая) категория в системе организмов, официально признаваемая ныне действующими Международными кодексами ботанической и зоологической номенклатуры, а также Международным кодексом номенклатуры бактерий – царство [4]. Сегодня биологами выделено 4 царства: 1) царство бактерий; 2) царство грибов; 3) царство растений; 4) царство животных. К последнему относится и человек. Исходя из принятой классификации в экологии различают следующие биотические сообщества –
биоценозы: совокупность мира микроорганизмов – микробоценоз, растительного мира – фитоценоз, животного мира – зооценоз.
Наглядно структуру экологической системы можно представить схемой, предложенной В.Н. Сукачевым, для характеристики биогеоценоза. Схема дополнена составляющей: «водная
среда» (см. рис.2.1.)
15
Рис.2.1. Компонентная структура экологической системы
На схеме рис.2.1 стрелками обозначены связи между отдельными элементами экологической системы. Связи могут быть
реализованы посредством потоков вещества энергии, информации.
Неживая компонента (косная, абиотическая, экотоп) включает: водную среду; эдафотоп (от греч. edaphos – почва + topos –
место) – геологическую среду, почво-грунты; климатоп – климат
во всех его многообразных проявлениях, включая микроклимат.
16
Отметим, микроклимат на лесной поляне отличен от микроклимата лесной чащи.
Живая компонента (биотическая) или биоценоз – это совокупность популяций различных видов животных, растений и
микроорганизмов, населяющих определенный биотоп (от греч.
bios – жизнь + topos – место). Поскольку виды, занимающие
общую территорию, как правило, взаимодействуют, они представляют сообщество. Таким образом термины «биоценоз» и
«сообщество» в большинстве случаев являются синонимами.
Примером, когда эти понятия не тождественны является нейтрализм. Но и в этом случае «нейтральные» виды, как правило, зависят от состояния данного биоценоза в целом, или они оказывают
влияние друг на друга через экотоп.
Определим понятие «вид биологический». Строгое общепринятое понятие вид до сих пор не разработано [4]. Вид – основная структурная единица в системе живых организмов.
Обычно под биологическим видом понимают совокупность популяций всех особей, способных к скрещиванию с образованием
плодовитого потомства, населяющих определенный ареал, обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и
типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой и
отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм [4].
Говоря о взаимоотношениях и взаимодействиях между живыми организмами, отметим, что они могут быть внутривидовы-
17
ми и межвидовыми. К внутривидовым взаимодействиям, например, относятся конкуренция, выкармливание потомства и другие.
Межвидовые взаимодействия это, прежде всего, хищничество,
конкуренция, паразитизм, симбиоз (мутуализм), сотрудничество,
комменсализм, аменсализм. Более подробная информация о перечисленных и других видах биотического взаимодействия содержится в [1,4,6,8].
Взаимодействие: «живой организм – неживой компонент»
(см. рис.2.1) представлено, например, физическим воздействием
на грунт (рыхление его животными и корнями растений), изменением химического состава почво-грунтов в результате жизнедеятельности микроорганизмов, изменением влагосодержания
почвы в результате смены фитоценоза и другими.
Выше мы охарактеризовали структуру экологической системы на базе понятия «биогеоценоз». Термины «экологическая
система» и «биогеоценоз» не являются синонимами. Экологическая система – это любая совокупность организмов и окружающей их среды. В качестве экосистемы можно рассматривать, например, растения в заброшенном ящике с землей на балконе,
бочку с «цветущей» водой, горшок с цветком, террариум, пилотируемый космический корабль. У названных совокупностей организмов и среды отсутствует такой элемент, как «гео» (участок
земной поверхности). Экологическими системами являются и сооружения биологической очистки сточных вод – биологические
фильтры. Они представляют собой сообщество живых организ-
18
мов (преимущественно бактерий и простейших), образующих так
называемый активный ил. Каждый вид этих микроорганизмов
занимает свою экологическую нишу и может существовать в определенных условиях. Для обеспечения хорошей работы очистки
сооружений человек должен управлять состоянием активного
ила. Описанные экологические системы создаются и управляются человеком.
Центральное место в экологии занимают природные экологические системы. В зависимости от масштабов различают микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро), макроэкосистемы (континент, океан) и
глобальную экосистему – биосферу (оболочку планеты Земля,
состав, структура и энергетика которой определяется совокупной
деятельностью живых организмов). Примеры классификации
природных экологических систем приведены в [8,9]. Биогеоценоз
– это, обязательно, природная экологическая система: участок
биосферы (геобиосферы), через который не проходит ни одна
существенная биоценотическая, микроклиматическая, гидрологическая, почвенная, геоморфологическая и геохимическая граница; т.е. элементарная единица биосферы (геобиосферы), элементарная природная экосистема и геосистема [31]. Биогеоценоз
– совокупность однородных природных элементов на определенном участке поверхности Земли (гео).
Возвращаясь к схеме, представленной на рис.2.1, поясним
влияние обратных связей на составные части и состояние экоси-
19
стемы в целом. Соответствующие яркие примеры приведены в
книге Л.Н. Гумилева «Этногенез и биосфера Земли» (см. [16]).
По мнению автора за 15 тысяч лет до н.э. на Земле не было пустынь. Во время вюрмского оледенения (от 100 тыс. лет до 18 тыс.
лет назад) атлантические циклоны проходили через северную
Сахару, Ливан, Месопотамию, Иран и достигали Индии. Тогда
Сахара представляла собой цветущую степь, пересеченную многоводными реками, полную диких животных: слонов, гиппопотамов, диких быков, газелей, пантер, львов. Изображения этих
животных до сих пор присутствуют на скалах Сахары и Аравии,
они выполнены представителями современного человека вида
Homo Sapiens. Но вот, в конце 4 тысячелетия до н.э. происходит
перенесение направления циклонов на север. Изменяется климатоп (см. рис.2.1) постепенно обедняется, усыхает, водная среда
Сахары (рис.2.1: см. связь водная среда → климатоп), что приводит к изменению эдафотопа и микробоценоза (рис.2.1: см. связи
водная среда → эдафотоп, климатоп → микробоценоз, эдафотоп
→ микробоценоз, водная среда → микробоценоз). Картину усугубила хозяйственная деятельность людей: земледельцев, взрыхливших почву Сахары и, тем самым, позволившая самумам развеять ее (рис.2.1: см. связи: зооценоз (в том числе люди) → эдафотоп, зооценоз → микробоценоз). Самум – сухой горячий
шквал ветра, переносящий огромное количество песка и пыли.
Изменения состава почвы и количества водной среды повлияли
на фитоценоз, уменьшив его биоразнообразие (рис.2.1: см. связи:
20
эдафотоп → фитоценоз, микробоценоз → фитоценоз, водная среда → фитоценоз). В свою очередь, сокращение численности растений с развитой корневой системой привело к дальнейшему
изменению структуры эдафотопа, что повлияло на микробоценоз
(рис.2.1: см. связи: фитоценоз → эдафотоп, эдафотоп → микробоценоз, микробоценоз → фитоценоз, фитоценоз → микробоценоз). Изменение фитоценоза повлекло изменение в зооценозе,
включая популяцию человека: «древние обитатели Сахары обратили внимание на болотистую долину Нила, где среди дикорастущих трав по краям долины произрастали предки пшеницы и
ячменя [16]. Мигрировали травоядные животные, за ними хищники (см. рис.2.1: связь: фитоценоз → зооценоз). Изменение
(резкое уменьшение) численности зооценоза и фитоценоза, безусловно, привело к обеднению микробоценоза, вследствие сокращения пищевой базы (рис.2.1: см. связи: зооценоз → микробоценоз, фитоценоз → микробоценоз). В итоге сегодня пустыня
Сахара отвоевывает до десяти километров в год, продвигаясь к
экватору.
Падение Вавилона также может быть объяснено схемой,
представленной на рис.2.1. «Первый в древнем мире город» [16]
в начале н.э. покинут населением из-за недостатка пищи, после
20 веков процветания за счет местных ресурсов. В результате
крупномасштабного орошения почв кристаллы солей покрыли
всю поверхность сельскохозяйственных ландшафтов, что привело к гибели злаков. В наши дни история повторила урок в доли-
21
нах рек Амударьи и Сырдарьи, до побережья Арала. В последних
примерах прослеживается цепочка: зооценоз (популяция вида
Homo Sapiens) → эдафотоп → фитоценоз, микробоценоз → зооценоз.
Представления о структуре экологической системы следует
дополнить сведениями о пищевых (трофических) уровнях. При
этом взаимосвязи между отдельными элементами системы приобретают более конкретные, численные, характеристики.
Из схемы представленной на рис.2.2 следует: необратимый
поток энергии от солнца в природную экологическую систему
планеты Земля любого масштаба свидетельствует о ее открытости, разомкнутости. Однако, при передаче энергии и вещества по
цепочке: продуценты – консументы – редуценты – продуценты
имеет место определенная замкнутость. При этом, в случае передачи вещества определенно имеет место значительно замкнутый
круговорот.
Продуценты (от лат. producens – производящий, создающий) – это автотрофные организмы, способные строить свои
тела за счет неорганических соединений. Иными словами, они
ассимилируют неорганические ресурсы, образуя с помощью
световой или химической энергии «упаковки» молекул органических веществ: углеводов, белков и других. Таким образом, сегодня, первичная биопродукция на Земле создается в клетках зеленых растений под воздействием солнечной энергии (фотосин-
22
теза), см. рис.2.2, а также другими организмами: некоторыми
бактериями, вследствие химических процессов (хемосинтеза).
Рис.2.2. Трофическая структура экологической системы: перенос энергии (пунктирная линия) и вещества (сплошная линия) в природных экосистемах.
Примечание: трофический – от греч. trophe – пища.
Суть фотосинтеза состоит в том, что происходит увеличение свободной энергии в органическом веществе за счет преобра-
Солнце
Продуценты
Консументы
I порядка
Консументы
II порядка
Редуценты
Минеральные
вещества
зования энергии фотона солнечного света (ħν) в энергию химических связей органического вещества. Усваиваемая энергия фотонов не переходит в тепловую, не рассеивается в пространстве, а в
23
последовательной цепи химических реакций преобразуется в
энергию химических связей синтезируемых органических веществ. Именно потому, что растения строят свой организм без
посредников (тканей других живых организмов) их называют самопитающимися, или автотрофами.
Уравнение материального баланса фотосинтеза:
6СО 2 + 6Н 2 О
фотосинтез
ћν
дыхание
(R)
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2
(2.1)
фруктоза
или
глюкоза
где ћ=6,62·10-34 Дж·с – постоянная Планка, ν – частота излучения, с-1 (Гц).
В процессе фотосинтеза имеют место как фотохимические
реакции, так и чисто ферментативные реакции и процессы диффузии, благодаря которым происходит обмен диоксидом углерода и кислородом между растениями и атмосферным воздухом.
Каждый из этих процессов находится под влиянием внутренних
и внешних факторов и может ограничивать продуктивность фотосинтеза в целом. По мнению Андерсона [2] общий к.п.д. утилизации солнечной энергии растениями составляет около 0,55 %,
хотя теоретически возможны значения от 2 до 10 %.
Растительная масса формируется не только за счет продуктов фотосинтеза. Созданное в процессе фотосинтеза органическое вещество составляет 90÷95 % сухой массы урожая, остальные 5÷10 % формируются благодаря минеральному почвенному
24
питанию, которое осуществляется одновременно с фотосинтезом
[32]. Наряду с углеродом, кислородом и водородом, биомасса
растений содержит в среднем 2÷4 % азота (в белковых веществах
– 15÷19 %) [6]. Среди биоэлементов азот по количеству в растениях занимает четвертое место. В результате минерального питания растения получают многие необходимые элементы: в
больших количествах – натрий, фосфор, серу, калий, кальций, а
также микроэлементы – железо, марганец, цинк, медь, молибден,
бор, хлор и другие. Эти элементы поступают от минералов, либо
становятся доступными в результате минерализации органического вещества (см. рис.2.2), при этом химические элементы поглощаются в форме ионов и включаются в растительную массу,
накапливаясь в клеточном соке. В золе растений могут находиться все химические элементы, встречающиеся в литосфере [6].
При синтезе органического вещества бактериями источником углерода является диоксид углерода (СО2), а источником водорода – либо молекулярный водород, либо водород, входящий в
состав сероводорода или какого-либо иного неорганического вещества. Полагают, что именно фотосинтез бактерий был первичным биологическим процессом на Земле, первым этапом развития автотрофности.
Пример реакций хемосинтеза осуществляемой пурпурными
и зелеными бактериями, при поглощении солнечной энергии:
hν
6СО 2 + 12 Н 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12 S + 6 H 2 O
25
Некоторые сине-зеленые водоросли синтезируют углеводы
в отсутствие света, получая энергию за счет окисления сероводорода (H2S) или серы (S) до сульфат-иона (SO42-). Высвобождаемая
энергия используется для превращения диоксида углерода в глюкозу.
Особую группу хемосинтетиков образуют так называемые
нитрифицирующие бактерии. Они получают необходимую энергию за счет окисления таких соединений как аммиак (NH3), водород (Н2), соединения железа (II) [Fe2+], без участия солнечной
энергии. Например, бактерии нитрозомонас окисляют аммиак до
азотистой кислоты (HNO2), которая далее превращается в азотную (HNO3) с участием нитробактера:
2 NH + 3O
3
2
2HNO + O
2
ас
нитрозомон
  
→ 2 HNO 2 + 2 H 2 O + 660 кДж
2
нитробакте

р → 2 HNO 3 + 158 кДж
Существуют также бактерии, способные образовывать свое
вещество в процессе окисления двухвалентного железа до трехвалентного с последующим использованием энергии на преобразование диоксида углерода (железо – или ферробактерии).
Животные, в отличие от растений и бактерий, не могут
осуществлять реакции фото- и хемосинтеза, вынуждены использовать солнечную энергию опосредованно – поедая органическое
вещество, созданное фотосинтетиками.
Консументы – это гетеротрофные организмы, которые
потребляют первичную продукцию и накопленную в ней энергию, то есть для них продуценты представляют собой единст26
венный источник питания. Консумент – от лат. consume – потребляю. К консументам относятся все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения [31].
Консументы 1 порядка питаются растениями (см. рис.2.2). Консументы 2 порядка преимущественно питаются растительноядными организмами – плотоядные, первичные хищники (см.
рис.2.2). Консументы 3 порядка питаются, в свою очередь, более
слабыми хищниками, и так далее.
Завершают трофическую цепь, замыкая биологический круговорот редуценты. Редуценты или деструкторы – это организмы, которые в ходе всей своей жизнедеятельности превращают
органические остатки в неорганические вещества. Редуцент – от
лат. reducens – возвращающий. Деструкторы – от лат. destructio
– разрушение. Редуценты, разрушая остатки мертвых организмов,
упрощая их структуру, подчас до несложных неорганических
химических соединений, делают их доступными для питания
продуцентов, тем самым и замыкают биологический круговорот.
В противном случае за миллионы лет ассимиляции фотосинтетиками биогенов они были бы исчерпаны, связаны в мертвой
органике.
Под биогенами мы понимаем вещества и, прежде всего, химические элементы необходимые для существования живых организмов, составляющие живую материю. Биогенами например
являются атомы углерода (С), водорода (Н), азота (N), кислорода
(О), фосфора (Р), серы (S). Вспомните химические структурные
27
формулы аминокислот, белков, углеводов, жиров, дезоксирибонуклииновой кислоты (ДНК), рибонуклииновой кислоты (РНК),
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Редуценты – это гетеротрофные организмы – консументы –
почвообразователи. Редуцентами являются бактерии (главным
образом), грибы, некоторые виды червей и др. В результате деятельности редуцентов образуется гумус, определяющий плодородие почвы. Подчеркнем особо, что гумификация не только разложение, но и синтез органических веществ. В состав гумуса
входят гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин –
органические вещества, содержащие основные элементы питания
растений. Понятие «гумус» исключает живые организмы и их остатки, не утратившие тканевую структуру [31]. Плодородие почвы определяет наличие гумуса в сочетании с бактериями. Чернозем содержит, например, до 2,5 млрд. бактерий в 1 г., в то время
как подзолистые почвы содержат до 0,6 млрд. бактерий [8]. Потеря гумуса ведет к потенциальной опасности полного истощения почв и опустыниванию. Максимальные величины накопления гумуса характерны для черноземов – в среднем 500 т/га, а
минимальные – для сероземов – 40 т/га [9]. Общие запасы гумуса
в 1-метровом слое почв мира составляют 2561·109 т (2561 млрд.
т) [9]. В процессе обработки почв происходит уменьшение содержания гумуса, поэтому для восполнения его потерь в обрабатываемые земли вносят минеральные и органические удобрения.
28
Проиллюстрируем биотический круговорот цепочкой биохимических превращений с участием атома углерода С*–рис.2.3.
нагревание
воздух
ћν
С*О2….
п.6
редуценты:
бактерии:
ферменты
бактерий;
кислород: О2
ферменты
растения
растение
(продуцент)
Сm (Н2О)n
углевод
ферменты,
азотсодержащие вещества
О
(NHC*H – C – NHCH – C)
|
редуценты:
бактерии:
ферменты
бактерий;
кислород: О2
||
(NHC*H – C – NH)
|
R1
R2
часть цепи белка
п.5
п.4
О
||
[CaC*O3] п.7
NO2; H2O; NH3…[C*O32-]
п.1
О
||
почва
|
R1
фрагмент
«мертвой»
органики
O
п.2
O
||
O
||
(NHC*H – C – NHCH – C)
|
|
R1
R3
часть цепи белка
1 животного
п.3
O
||
||
(NHC*H – C – NHCH – C)
ферменты
2 животного
|
|
R1
R4
часть цепи белка
2 животного
2 животное –
консумент
II порядка
животное –
консумент
I порядка
гибель
животного
Рис. 2.3. Биотический круговорот углерода как последовательность химических превращений
Сопоставьте рис.2.2 и рис.2.3 Данный атом углерода С* через некоторый промежуток времени вновь будет связан посредством фотосинтеза в живой материи и пройдет новый биотический цикл, более короткий, или более длинный (например, войдет в состав тел консументов III и IV порядков. Возможно вхождение С* и в состав минерала (известняка: СаСО3 – рис.2.3: п7,
который со временем может быть преобразован с выделением
СО2 в атмосферу (см. пунктирные стрелки на рис.2.3). В этом
случае говорят о биогеохимическом круговороте (цикле) – кру29
говороте химических веществ (в нашем случае С*) из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно
в неорганическую среду с использованием солнечной энергии
или энергии химических реакций. Продолжительность биогеохимического круговорота углерода в среднем составляет 8 лет,
азота – 100 лет, кислорода – до 2,5 тыс. лет [33]. Из сказанного
понятно, что наибольший интерес для экологического мониторинга представляет биогеохимический круговорот углерода. Биогеохимический круговорот невозможен без биологического (биотического) круговорота, представляющего собой непрерывный
процесс создания (Р(+)) и деструкции (Р(-)) органического вещества. Последний реализуется при участии представителей трех
групп организмов: продуцентов, консументов, редуцентов, обеспечивая бесконечность жизни на Земле в историческом масштабе. Движущей силой биотического круговорота является энергия
Солнца.
На начальной стадии биотического круговорота, основанного на выполнении энергетической функции зелеными растениями, происходит аккумуляция солнечной энергии в виде органических веществ (см. рис.2.3: п.1), синтезируемых растениями из
неорганических соединений – углекислого газа, воды, азотсодержащих веществ, зольных элементов питания. Параллельно
имеет место дыхание растений, при котором до половины ассимилированного при фотосинтезе органического вещества окисля-
30
ется до СО2 и Н2О и возвращается в атмосферу (на рис.2.3 не показано).
Второй существенный процесс расходования органического
вещества и накопленной в нем энергии – это потребление растений консументами I порядка – растительноядными животными
(рис.2.3: п.2). При этом происходит изменение в чередовании
аминокислот в белке – создание собственного белка 1 животным.
Запасаемая фитофагами (от греч. phiton – растения + phagos –
пожиратель) с пищей энергия также в значительной мере расходуется на дыхание, жизнедеятельность, размножение, выделяется
с экскрементами.
Растительноядные животные являются пищей для плотоядных животных – консументов более высокого трофического
уровня (см. рис.2.3: п.3). Консументы II порядка расходуют накопленную с пищей энергию по тем же каналам, что и консументы I порядка. Число трофических уровней, образуемых хищными
животными, обычно не превышает 3-4, так как в связи с большими тратами энергии численность и биомасса животных на более
высоких трофических уровнях становится все меньше.
Таким образом, продуценты образуют первый трофический
уровень (уровень питания), консументы I порядка – второй трофический уровень, консументы II порядка – третий трофический
уровень и т.д. Пищевые уровни и цепи не изолированы друг от
друга, а тесно переплетены – они составляют пищевые сети.
31
Каждое звено экологической системы поставляет в окружающую среду органические остатки (рис.2.3: п.4), которые служат источником пищи и энергии для редуцентов (рис.2.3: п.5 и
п.6) и для животных – сапрофагов, питающихся трупами других
животных, гниющими остатками, навозом. Сапрофаг – от греч.
sapros – гнилой + phagos – пожиратель. Завершающим этапом
превращения органического вещества являются процессы гумификации и далее окисления гумуса до СО2 и минерализации
зольных элементов, которые вновь возвращаются в почву
(рис.2.3: п.5 и п.7) и в атмосферу (рис.2.3: п.6), обеспечивая растения питанием (рис.2.2 и рис.2.3: п1).
Эффект рассеяния энергии при переработке биомассы живыми организмами отражают в виде экологических пирамид.
Различают экологические пирамиды численности, биомасс, энергии. Пирамида численности – это количество отдельных организмов по трофическим уровням данной экологической системы
(прежде всего природной). Причем численность особей при движении от продуцентов к консументам различного порядка в природных наземных экосистемах значительно уменьшается. Пирамида биомасс – соотношение между продуцентами, консументами (первого, второго и других порядков) и редуцентами в экосистеме, выраженное в их массе и изображенные в виде графической модели. В наземных экосистемах масса продуцентов (на
единицу площади и абсолютно) больше, чем консументов II порядка и т.д., поэтому графическая модель имеет вид пирамиды. В
32
некоторых водных экосистемах, отличающихся исключительно
высокой биологической продуктивностью продуцентов, пирамида биомасс может быть обращенной, т.е. биомасса продуцентов в
них меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов. Любая
биомасса заключает в себе огромное число химических связей,
наличие их иллюстрирует рис.2.3, при определенных условиях,
химические связи, изменяясь, создают потоки энергии. Нам со
школьной скамьи известно, что при биохимическом расщеплении
1 г жира выделяется 9 ккал (37,7 кДж) энергии, при расщеплении
1 г белка или углевода выделяется 4 ккал (16,7 кДж) энергии. Таким образом, зная массу и биохимический состав тела любого
живого организма, его можно характеризовать энергетической
величиной, тем более что в природе благополучие сообществ во
многом определяют пищевые энергетические ресурсы, наличие
жертв в должном количестве. Таким образом, наиболее универсальна экологическая пирамида энергии, в которой представлено
количество энергии, заключенной в каждом из трофических
уровней экосистемы или количество проходящей через эти уровни энергии. Сказанное проиллюстрируем примерами из работы
Т.А. Деминой [18]. Для образования 1 кг говядины необходимо
примерно 90 кг растительной массы. Не случайно, что в странах
с очень высокой плотностью населения, например в Азии, традиционной является растительная пища: рис. Второй пример представлен на рис.2.4.
33
Прибавка
тканей
человека
3,5·104 Дж
Продуцировано телятины
5,0·106 Дж
6,2·107 Дж
Продуцировано люцерны
2,6·1011 Дж
Получено солнечного света
Рис. 2.4. Энергетический вариант экологической пирамиды
для агроценоза
Масштаб логарифмический
Перераспределение энергии и биомассы при переходе с одного трофического уровня на другой, можно представить схематично, на основании данных работы [6] – см. рис. 2.5.
Зеленые
растения
Консументы
I порядка
NU
PG
LA
Тепло
NA
PN
P1
R
···
R
Рис. 2.5. Модель потока энергии на двух трофических уровнях:
продуцентов и консументов I порядка
34
Пояснения к рис.2.5: LA – световая энергия, поглощенная
растениями; PG – валовая первичная продукция; PN – чистая первичная продукция; NU – не использованная энергия (остатки пищи, которые впоследствии потребляют редуценты или сапрофаги); NA – неассимилированная энергия (выделения «непереваренной» пищи, которые также утилизируют редуценты или сапрофаги); Р1 – вторичная продукция консументов I порядка; R –
энергия дыхания. Все величины: LA; PG; PN; NU; NA; P1; R имеют
одну и ту же размерность: Дж/м2.
Валовая первичная продукция (PG) – это все органическое
вещество накопленное в результате фотосинтеза, включая и ту
его часть, которая будет впоследствии израсходована на дыхание
растений (вследствие окислительных процессов). Чистая первичная продукция (PN) – это органическое вещество, накопленное в растительных тканях за вычетом той ее части, которая будет использована на дыхание растений (R): PN = PG – R. То есть
PN – это та продукция, которая может быть употреблена на питание организмами следующего трофического уровня. Аналогично
и Р1 – вторичная продукция консументов I порядка, которая
может быть употреблена на питание консументами II порядка.
Часто употребляют термин продуктивность. Продуктивность
– это скорость накопления биовещества, т.е. продукция отнесенная к промежутку времени. Единицы измерения продуктивности
в нашем случае: Дж/м2·с или Вт/ м2 (поток энергии).
35
Исходя из изложенного, урожай в общепринятом смысле –
это чистая первичная продукция, не потребленная гетеротрофами
за вегетативный период (В):
В = PG – R – (P1 + P2 + …)
(2.2)
где Р1, Р2, … - вторичная продукция консументов, Дж/м2.
Остальные пояснения см. в тексте выше.
В целях получения большего выхода полезной продукции,
человек может воздействовать на каждый из членов равенства
(2.2). Во-первых, он может вкладывать энергию и усилия в увеличение валовой первичной продукции (PG), что подразумевает
селекционную работу. И здесь очень важна роль биоразнообразия. Данный путь требует высокого научного потенциала и длительного времени. Во-вторых, человек может компенсировать затраты растений на дыхание R, вкладывая энергию в форме работы сельскохозяйственных машин и в производство удобрений.
Этот путь экономически более выгоден, но экологически он дороже, чем предыдущий, т.к. вызывает загрязнения и другие нарушения среды. В-третьих, человек может способствовать
уменьшению вторичной продукции (Р1, Р2, …). Экологически
данный путь наиболее дорогостоящ, т.к. борьба с насекомыми,
вредящими сельскому хозяйству связана не только с загрязнением среды пестицидами, но и с уменьшением видового разнообразия и, следовательно, нарушением устойчивости агроценозов.
В наиболее стабильных природных сообществах имеет место баланс между PG; R и (R1 + R2 …), т.е. В → О:
36
PG = R + P1 + P2 + …
(2.3)
Все воспроизведенное за год органическое вещество расходуется на дыхание и утилизируется консументами различных порядков. В этом балансе заключен смысл противоречия между хозяйственными устремлениями человека и стратегией развития
природы. Человек заинтересован в повышении годового выхода
чистой продукции сообщества, а стратегия развития любой экосистемы направлена на то, чтобы не только произвести за годовой цикл как можно больше, но за это же время и потребить все
произведенное. Однако равенство между приходом и расходом
явление редкое. Оно соблюдается для наиболее стабильных сообществ, в частности в тропической зоне. При этом оно создает
объективные трудности для развития сельского хозяйства. Человек, выжигая тропический лес, надеется получить на освободившейся территории высокие урожаи. Однако почвы на обнаженной территории быстро (в течение двух лет) утрачивают плодородие. Вся годовая продукция росшего на этом месте леса потреблялась различными консументами и в почвах было мало отложений.
В отдельных случаях при избытке валовой первичной продукции происходит накопление непотребленного органического
вещества, например, в форме каменного угля, горючих сланцев,
сухих листьев и т.д. Несбалансированность прихода и потребления энергии имеет серьезные последствия для экосистемы.
37
Установлено, что при каждом переходе на следующий трофический уровень затраты энергии на формирование биомассы
составляют около 1÷10 % от общего доступного потока. Исходя
из этого положения, можно получить более абстрактную схему –
см. рис.2.6.
Следствием эффекта рассеяния биоэнергии при движении
по трофическим уровням от продуцентов к консументам высоких
порядков является ограничение пищевых цепей.
Наличие круговоротов биогенов накладывает определенное
ограничение на деятельность людей.
С4=0,001÷0,01
С3=0,01÷0,1
С2=0,1÷1
С1=1÷10
Р=100%
S=?
Рис. 2.6. Экологическая пирамида: общие закономерности
Примечания: S – редуценты; Р – продуценты; С1, С2, С3, С4 –
консументы 1, 2, 3 и 4 порядка.
38
Биотические круговороты веществ свидетельствуют о том,
что функционирование природных биоценозов не основано на
потреблении ресурсов окружающей среды. Сама окружающая
среда приготовлена во многом живыми организмами и поддерживается ими в оптимальном для жизни состоянии. Строго говоря, нет в биосфере и ресурсов, т.к. любой вид продукции живых
организмов компенсируется ее диструкцией, и оба процесса основаны на переработке материалов, создаваемых самими организмами (см. рис.2.2). Свободное конкурентное взаимодействие
особей в сообществе (ценозе) служит цели удаления из биосферы
распадных
–
не
конкурентоспособных
особей
(видов-
разрушителей), разрушающих существующие условия окружающей среды.
В.Г. Горшковым [14] определено, что потребление цивилизации не должно превышать 1 % чистой первичной продукции
(PN) биосферы в глобальном масштабе. То есть люди не должны
потреблять более 1% от общей массы (выраженной в килограммах) различных видов дикорастущих растений суши, включая
древесину, используемую для строительства жилья, отопления,
производства бумаги и т.п., болотных растений и других. Численное значение – 1% получено В.Г. Горшковым на основе анализа потребления продукции растительности суши различными
сообществами живых организмов. Так на суше около 90% продукции растений потребляют редуценты: бактерии и грибы с
39
размером тела 10-6-10-4 м. Около 10% продукции растений потребляют малоподвижные черви, моллюски, членистоногие (среди последних насекомые потребляют в живом виде до 7%). Размеры этих организмов 10-4-10-2 м. Все быстро передвигающиеся
позвоночные животные (хордовые) размером от 10-2 до 2 м потребляют не более 1% продукции растений. Также эти животные
не играют заметной роли в биосферной энергетической системе,
однако используются биосферой для долговременной тонкой настройки (на рис.2.2 – консументы II порядка). Таким образом, человечеству как популяции крупных организмов дозволено использовать лишь 1% чистой первичной продукции.
Сообщества – самые сложные виды биологической скоррелированности. Возникновение сообщества связано только с
необходимостью замкнутости круговорота веществ и стабилизации условий окружающей среды. Смысл жизни отдельной
особи каждого биологического вида не заключается в простом
существовании в окружающей среде, приспособлении к ней и
использовании ее ресурсов. Из всех возможных видов существовать в земных условиях, отобраны только те виды, которые могут
производить необходимые действия в рамках своих сообществ по
выполнению определенной работы по стабилизации окружающей
их среды. Механизм такого отбора подробно описан в [13]. В естественном
сообществе
не
могут
присутствовать
виды-
разрушители, которые разрушили бы скоррелированность сообщества и лишали бы его способности регулировать окружающую
40
среду. Особи таких видов использовали бы биоценозы и окружающую среду как собственный ресурс, не заботясь о последствиях. Последствиями же явились бы разрушение сообщества,
прекращение биотической регуляции и искажение окружающей
среды. Сопровождающая эти процессы потеря конкурентоспособности таким сообществом привела бы к вытеснению его (вместе с видом разрушителем) нормальными сообществами, не содержащими таких видов. Стратегия на работу по стабилизации
окружающей их среды у передвигающихся животных генетически запрограммирована в системе положительных и отрицательных эмоций [13]. Возможность выживания каждой особи заключена в том, чтобы следовать положительным эмоциям и избегать
отрицательных. Тактическое разнообразие проявления этой стратегии корректируется памятью, накопленной в течение жизни. У
человека тактическое воплощение обсуждаемой стратегической
программы положительных и отрицательных эмоций сильно искажено наличием культуры. При этом смысл плотской (биологической) жизни человека не может отличаться от смысла жизни
остальных живых существ в природе. Очевидно, что генетические корни видов-разрушителей имеются у современного цивилизованного человека. Внешне это выражено у многих индивидов в эстетическом наслаждении картинами взрывов, аварий, пожаров и пр. Учитывая рост численности популяции людей и то,
что их экономическая деятельность перерастает в глобальное
разрушение всей биосферы, угрожающее устойчивости жизни на
41
Земле, сегодня актуальна корректировка культуры человечества в
целом на основе научных данных экологии. Основная работа,
выполняемая человеком, должна быть направлена не на экстенсивное развитие цивилизации, а на сохранение естественных сообществ в невозмущенном до определенного порога состоянии.
Дополнительные данные о пороговых значениях хозяйственной
деятельности людей представлены в конце данного раздела, а
также в разделе 3 настоящей работы.
Редуценты являются стабилизирующим фактором биосферы. Не исключено, что откликом на избыточный дополнительный
антропогенный поток биогенов может явиться массовая мутация
микроорганизмов в направлении уничтожения «возмутителя равновесия» – человека (биол. вид Homo Sapiens), и как следствие,
массовые эпидемии новых, до сих пор неизвестных заболеваний.
Отсюда понятна роль мониторинга (т.е. системы непрерывных
наблюдений за изменениями состояния среды) при анализе степени замкнутости биотических круговоротов. Их разомкнутость приводит к возмущениям, и в биоценозах, и в экотопе,
что опасно для человечества в целом. Более подробно обсудим
понятие «возмущение» экосистем в подразделах 2.2 и 2.3.
Подводя итог сказанному, отметим, что функционирование
экологических систем вполне соответствует второму закону термодинамики и принципу Ле Шателье.
Напомним формулировку второго закона термодинамики:
энтропия изолированной термодинамической системы может
42
только возрастать или по достижении максимального значения
оставаться постоянной. Энтропия – мера неупорядоченности.
Рассеяние энергии в трофических уровнях экосистем, свидетельствует возрастании энтропии. Однако экосистемы, включая биосферу – не изолированные системы, поскольку внешним первоисточником их функционирования является поток солнечной
энергии. Важно соблюдать согласованность между потоком солнечной энергии и замкнутостью биогеохимических циклов.
Второй закон термодинамики связан с принципом стабильности: любая естественная система с проходящим через нее потоком энергии склонна развиваться в сторону устойчивого состояния, и в ней вырабатываются саморегулирующие механизмы
[6]. В случае кратковременного воздействия на систему извне эти
механизмы обеспечивают ее возврат к устойчивому состоянию.
Когда оно достигнуто, перенос энергии обычно идет в одном направлении и с постоянной скоростью. В качестве меры термодинамической упорядоченности экосистем предложен показатель
(W).
W =R
B
/
(2.4)
где R – энергия, затрачиваемая в экосистеме на дыхание,
Дж; В’ – энергия, заключенная в структуре биомассы системы,
Дж.
43
Чем больше W, тем упорядоченнее экосистема, поскольку
энергия выводится за пределы системы и имеет место самоорганизация по принципу обратной связи.
Принцип Ле Шателье: если на равновесную систему оказать
воздействие, изменив условия, равновесие в системе сместится
так, чтобы уменьшить эффект оказываемого воздействия. Этот
принцип основанный на моделях неживой природы, справедлив и
для условно-равновесных природных систем, в том числе экологических, подтверждение тому направление динамических процессов в экологических системах.
2.2. Равновесное состояние и динамические процессы в
экологических системах
Процессы, протекающие в экосистеме очень разнообразны.
В ней осуществляются жизненные процессы, связанные с переходом вещества и энергии с одних пищевых уровней на другие, с
изменением численности и плотности популяций в результате
взаимодействия хищников с жертвами, а жертв – с источниками
их корма. Биоценоз экосистемы изменяется под воздействием
факторов экотопа, причем эти воздействия обладают различной
интенсивностью и скоростью: например, биотические и геологические круговороты. За короткий отрезок времени в экосистемах
трудно обнаружить значительные изменения в составе биоты или
режимах абиотических факторов. Если бы экосистемы существо-
44
вали в течение короткого времени, быстро заменяясь другими, то
они не могли бы накапливать вещество и энергию, не могли бы
служить стабильным местом локализации экологических ниш.
Подвижно-стабильное состояние природных экосистем во времени и пространстве представляет собой интегральный результат
двух процессов: гомеостаза и сукцессии.
Гомеостаз – состояние внутреннего динамического равновесия природной системы, поддерживаемое регулярным возобновлением основных ее структур, вещественно-энергетического
состава и постоянной функциональной саморегуляцией ее компонентов [31]. Гомеостаз – от греч. homos – тот же самый, подобный и stasis – состояние. При гомеостазе численность отдельных популяций колеблется около среднестатистически нормального значения для данного сезона.
Гомеостаз обеспечивается механизмами обратной связи.
Принцип обратной связи заключается в том, что некоторый
управляющий компонент системы получает информацию от
управляемых компонентов, используя эту информацию для внесения коррективов в дальнейший процесс управления.
Сущность принципа обратной связи поясним на примере
условной экосистемы, состоящей из популяций трех видов: хищник (волк), жертва (олень), кормовое растение (ягель). Схема регулирования численности популяций организмов, связанных
трофической цепью, представлен на рис.2.7.
45
+
Рост популяции хищника
–
Рост популяции жертвы
+
+
+
–
Рост популяции
кормового растения
Рис. 2.7. Регулирование численности популяций организмов по
принципу обратной связи.
Рис.2.7: рассмотрим связь: рост популяции жертвы -
+

→
рост популяции хищника – если численность жертвы постоянно
растет, то хищник, который только этой жертвой и питается, тоже имеет возможность увеличить свою численность (увеличить
объем и совершенствовать структуру популяции). В этом проявляется положительная обратная связь. Но поскольку хищник
(волк) ест жертв (оленей), то он, снижает численность популяции
жертвы, см. рис.2.7 – связь: рост популяции хищника
−

→
рост
популяции жертвы. В этом проявляется отрицательная обратная связь. Если численность хищника (волка) выше некоторого
предела, то он соответственно чрезмерно снизит численность
жертвы (оленя) и в итоге окажется перед необходимостью ограничения собственной численности из-за недостатка пищи, связанного с затрудненностью ее добычи, обостряется внутривидо46
вая конкуренция. Но увеличение численности хищника приведет
к увеличению биомассы кормового растения из-за снижения численности оленя, см. рис.2.7 – положительная обратная связь: рост
популяции хищника
+

→
рост популяции кормового растения. В
то же время возрастание биомассы кормового растения оленя вызовет и увеличение численности хищника (волков), за счет интенсивного питания и размножения жертв (оленей), см. рис.2.7 –
положительная обратная связь: рост популяции кормового растения
+

→
рост популяции хищника. Однако в таком случае сис-
тема начинает работать «вразнос» из-за отсутствия механизма отрицательной обратной связи. Реально же увеличение
биомассы растений не может быть беспредельным: оно всецело
зависит от абиотической компоненты среды – почвенных условий, поступления солнечной энергии и ее ассимиляции продуцентами (кормовыми растениями). Положительные и отрицательные связи между ростом популяции жертвы и ростом популяции кормового растения аналогичны рассмотренным ранее:
рост популяции хищника – рост популяции жертвы.
В природной экологической системе всегда поддерживается
равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или
иных звеньев в трофических цепях. Численность и волка, и оленя
всегда будет держаться на определенном уровне. Любая природная экосистема всегда сбалансирована, устойчива, гомеостатична. Если бы волки могли съесть всех оленей (оказались бы видом-разрушителем), то они вымерли бы сами. В природных эко-
47
системах гомеостаз определяется не только взаимодействием популяций разных пищевых уровней, но и постоянной энергетической дотацией: поступлением солнечной энергии.
Рассмотренные процессы представляют собой обмен веществом и энергией между отдельными элементами экосистемы,
т.е. обмен информацией. Передача информации от одного звена к
другому осуществляется по определенным каналам, в данном
случае (см. рис.2.7) – по каналам обратной связи.
При некоторых условиях обратная связь (передача информации) может быть почему-либо нарушена. Например, на оленей
стал охотиться какой-то другой хищник и стал «мешать», вследствие межвидовой конкуренции, волку; или среди волков возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение
сбалансированности системы, которое может быть обратимым
или необратимым. Таким образом, в каналах обратной связи между популяцией хищника (волка) и жертвы (оленя) появились
«помехи» или «шумы». Роль помех могут играть и абиотические
факторы, например, погодные условия. Засуха может снизить
продуктивность растений и ограничить пищу для оленя, что немедленно ощутят на себе волки. Воздействия таких «помех» на
популяцию носят статистический (стохастический, случайный)
избирательный характер. Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут или не дадут потомства, а более
стойкие выживут, передав наследственную информацию своим
потомкам. Под влиянием помех происходит естественный отбор.
48
В этом смысле помехи могут быть положительными, полезными.
Они выступают как фактор эволюции.
Описанный подход позволяет обосновать причины биологического равновесия экологических систем и условия, при которых это равновесие (гомеостаз) обеспечивается. Каждая система
обладает определенным запасом информации, под которым понимают количественную меру организованности данной системы. Чем более сложна система, чем больше имеется в ней перекрывающихся трофических и энергетических цепей, тем выше ее
информативность. Каждая открытая система (экосистемы – это
открытые системы) получает информацию из внешней среды,
причем эта информация стремиться вывести систему за границы,
в пределах которых возможно ее существование. Поэтому стабильность системы будет зависеть от количества информации в
некотором «регуляторе», и это количество должно соответствовать числу «нарушений», т.е. каждое нарушение должно компенсироваться встречным процессом. При этом условии накопленная системой информация способна сбалансировать нарушения
ее структуры. Ряд исследований с применением методов математического анализа показал, что экологические системы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее и чем
больше в них связей [33]. Стабильность сообщества также определяется числом связей между видами в трофической цепи и возрастает с увеличением их числа [33].
49
Человек постоянно вмешивается в процессы, происходящие
в той или иной природной экосистеме, влияя на нее в целом или
на отдельные ее звенья. Эти воздействия могут проявляться, например, в следующем: 1) введение в экосистему новых компонентов (проникновение колорадского жука в Европу из Северной
Америки); 2) отстрел растительноядных копытных; 3) вырубка
части деревьев;
4) загрязнение тех или иных составляющих
абиотической компоненты экосистемы и т.д. не всегда эти воздействия ведут к распаду всей системы, к нарушению ее стабильности, однако давление помех не может быть беспредельным. При определнном уровне стрессового фактора, например
при нашествии других (новых) хищников или массовой гибели
особей одного вида из-за болезней, информационная обеспеченность экосистемы не может за счет отрицательной обратной связи компенсировать отклонений, определяемых положительной
обратной связью. Тогда данная система прекратит свое существование.
Поддержание гомеостаза экосистемы возможно лишь в определенных пределах – в пределах действия отрицательной обратной связи. Механизм действия ее иллюстрирует рис.2.8.
50
Заданный уровень
или «стандарт»
Отрицательная обратная связь
Датчик
(пищевые ресурсы)
Вход
Продукт
(плотность
по популяции
Цепь
Шум
Исполнительный элемент
(популяция)
Выход
Источник
энергии
Рис. 2.8. Упрощенная система регуляции плотности
популяции: зависимость плотности популяции
от пищевых ресурсов [6]
Обратная связь возникает, если «продукт» оказывает влияние на «датчик» (см. рис.2.8) В результате отклонения плотности
популяции от оптимума в ту или иную сторону увеличивается
рождаемость или смертность, результатом чего будет приведение
плотности к оптимуму. Такая обратная связь, т.е. связь, уменьшающая отклонение от нормы, называется отрицательной
обратной связью. Положительная обратная связь увеличивает
это отклонение. Благодаря именно обратной связи регулируются
процессы запасания и высвобождения питательных веществ,
51
продуцирования и разложения органических соединений. Взаимодействие круговоротов веществ и потоков энергии в экосистеме создает саморегулирующийся гомеостаз, не нуждающийся во
внешнем управлении. Область действия отрицательной обратной
связи можно изобразить в виде гомеостатического плато
(рис.2.9).
Рис. 2.9. Схема формирования гомеостатического плато в
экосистеме
Переменная система
Верхний предел положительной обратной связи
Гибель
Гомеостатическое плато
Область отрицательной
обратной связи
Гибель
Нижний предел положительной обратной связи
(–) 0 (+)
Стресс
Гомеостатическое плато состоит из ступенек. В пределах
каждой ступеньки действует отрицательная обратная связь. Переход со ступеньки на ступеньку может произойти в результате
изменения в «датчике». Уменьшение или увеличение количества
52
пищевых ресурсов переводит гомеостаз на другой уровень. Гомеостатическое плато – та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, не смотря на
стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и
в измененном виде.
В гомеостаз вовлекаются не только организмы и их продукты, но и неорганическая природа (экотоп). Абиотическая (неживая) компонента (см. рис.2.1) контролирует жизнедеятельность
организмов. Но и жизнедеятельность организмов постоянно приводит к физическим и химическим изменениям веществ неживой
компоненты. Скорость изменения химического состава окружающей среды в результате жизнедеятельности организмов, синтезирующих и разлагающих органические вещества, на четыре
порядка выше, чем скорость этого изменения под влиянием геологических процессов. Вещества, запасаемые растениями и животными, усиливают то стабилизирующее воздействие, которое
обеспечивается скоплениями детрита («мертвой» органики) и неорганических веществ при разного рода возмущениях в системе.
Даже после пожаров в местообитании остаются огнеустойчивые
семена и корни, приспособленные к тому, чтобы сохранить себя,
и тем самым и систему, как целое.
Воздействия, при которых компенсаторные регуляторы оказываются не в силах сохранить гомеостатичность системы имеют
место при резких антропогенных или естественных воздействиях
на структурно-упрощенные искусственные системы, например на
53
объекты сельского хозяйства – агроценозы. В практике сельского
хозяйства повышение урожайности часто связывают с количеством вносимых удобрений. Часто удобрений вносят столько, что
система гомеостаза выходит за верхний предел действия отрицательной обратной связи, вследствие чего в агроценозе начинаются необратимые изменения, приводящие к деградации возделываемых площадей. Так, увлечение удобрениями привело к эрозии
и засолению многих хлопковых полей в Средней Азии.
Примером, иллюстрирующим практический смысл гомеостатического плато является отвод условно чистых сточных вод в
природный водоем. При этом допускают, что непосредственно в
водоеме происходят процессы «самоочищения». Условно очищенные воды доведены до определенного значения БПК. БПК –
биохимическое потребление кислорода – степень загрязнения
воды органическими соединениями, выражаемая количеством
кислорода, необходимым для их окисления микроорганизмами в
аэробных условиях (в присутствии кислорода) – см. рис.2.3 п.6.
При этом, полным БПК (БПКполн) считают количество кислорода,
требуемое для окисления органических веществ до начала процессов нитрификации ( − NH 2 O→ NO 2− ). Необходимо опреде2
лить, какими именно возможностями к самоочистке обладает
природный водоем. Исходя из этого ведут общезаводскую или
цеховую очистку воды именно до того уровня БПК, с которым
водоем справится без ущерба для себя. При таком сбросе сточных вод растворенный в природной воде кислород начинает рас54
ходоваться на окисление остаточных загрязнений. Численность
организмов (особенно водорослей, бактерий) при этом изменяется, обычно возрастает. Вся экосистема при этом меняется, т.к.
большая или меньшая доля био- и хемоэнергетики начинает «работать» в новом направлении. Происходит сдвиг на гомеостатическом плато (см. «ступеньки» на рис.2.9), а следовательно, и изменение экосистемы в целом. Изменение обнаруживается не сразу, лишь по прошествии некоторого времени, в результате заметного сокращения численности тех или иных видов рыб, возрастания плотности планктона или изменения состава населения микроорганизмов (состава микробоценоза).
Содержащиеся в сточных водах примеси являются, таким
образом, стрессовым фактором. Возможен случай, когда плато
выйдет из области контролируемой механизмами отрицательной
обратной связи, достигнет предельной величины воздействия
связи положительной (см. рис.2.9). При этом полагают, что в
сложной системе, по сравнению с простой, возрастает количество и вероятность действия компенсирующих механизмов, регулирующих, вплоть до подавления, отклонения. Например, значительное увеличение численности какого-либо вида живых организмов.
Большинством добропорядочных обывателей (согласно
психофизиологической типологии: конституционально-глупых
[22]) наличие и усиление действия обратных положительных
связей в антропогенных экосистемах рассматривается как благо.
55
Однако из анализа функционирования биосферы следует обратное: ни один из биологических видов, включая Homo Sapiens, не
может увеличивать свою численность безудержно, да еще и
обедняя биоразнообразие. Человечеству необходимо организовать нормальное функционирование отрицательных обратных
связей, если нет, то это сделают микроорганизмы, отмутировав в
сторону болезнетворных смертоносных видов (сегодняшний
СПИД – это только начало); либо численность людей будет регулировать наркотическая зависимость…
Гомеостаз экологической системы – это подвижное равновесие. В любой экосистеме идут процессы, меняющие ее во времени и в пространстве. При этом изменяется состав биоценоза,
структура экосистемы и ее продуктивность.
Последовательную смену биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния
1)природных факторов (в том числе внутренних противоречий
развития самих биоценозов) или 2) воздействия человека, называют сукцессией (от лат. succesio – следую, преемственность).
Сукцессия происходит в силу действия экологического
принципа (закона) сукцессионного замещения: природные биотические сообщества последовательно формируют закономерный
ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчивому в данных условиях состоянию климакса. Климакс (от греч. klimax – лестница)
– «заключительная» фаза биогеоценотической сукцессии, находящаяся в наиболее полном единстве с биотом и климатом дан-
56
ной местности. Климакс выражается, прежде всего, в формировании относительно устойчивого, коренного, фитоценоза.
Любой из нас может наблюдать сукцессии, посещая городские парки, или находясь в лесу, наблюдая данное место в течение нескольких (многих) лет. Классическими примерами сукцессии с образованием устойчивого биоценоза (климакса) являются
зарастание озера и возникновение на его месте торфяного болота,
зарастание мест пожаров, формирование елового леса на брошенных пашнях, последовательное освоение комплексом организмов упавшего дерева.
Еловый лес в своем развитии проходит несколько этапов.
Первыми на бывшей пашне появляются светолюбивые и быстрорастущие травянистые растения («трава») и лиственные древесные породы: береза, осина, ольха (семена этих деревьев легко
разносятся ветром). Наиболее стойкие представители успешно
заселяют и утверждаются на новой территории. Благодаря их
жизнедеятельности изменяется среда. Климатоп изменяется по
параметрам освещенности, температуры, альбедо, аэродинамическим (ветрового режима). Состав почвы претерпевает меньшие
изменения. Разросшиеся лиственные постоянно начинают угнетать травянистые растения. По прошествии 10-20 лет появится
возможность для укоренения и прорастания всходов хвойных деревьев. Наиболее благоприятные условия для елей создаются
только после смыкания крон берез, по прошествии 30-50 лет. Постепенно формируется смешанный лес. Он существует сравни-
57
тельно недолго, т.к. светолюбивые березы не выносят затенения
и под пологом елей их возобновления не происходит. Устойчивый еловый лес на заброшенной пашне образуется примерно через 80-120 лет после первых всходов березы. В процессе развития
березняков, ольховников, а затем и елового леса в биоценоз
включаются все новые виды растений и животных. Происходит и
замещение одних видов другими. По мере увеличения числа видов, в сообществе возникают и заполняются новые экологические ниши. Поясним: экологическая ниша организма – это совокупность всех его требований к условиям среды и место, где эти
требования удовлетворяются, или вся совокупность множества
биологических характеристик и физических параметров среды,
определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе
подобными [33]. Еловый лес является прекрасной пищевой базой
для некоторых видов насекомых, обеспечивает им экологическую нишу и при определенных климатических условиях чрезмерное размножение этих насекомых может привести к распаду
популяции хвойной породы и ее замене популяциями лиственных пород (осины, березы, ивы и др.).
Таким образом, сукцессия протекает как медленное и в какой-то мере случайное замещение одних популяций другими, а
не путем резкой, скачкообразной смены сообществ. Климакс
представляет собой длительное подвижно-стабильное состояние
соответствующее прежде всего данным абиотическим условиям
58
(условиям неживой составляющей природы: температурновлажностному режиму, освещенности, гранулярному составу
почвы и др.). Различают сукцессии: первичные – начинающиеся
на субстратах, не затронутых процессами почвообразования
(скальные породы, песчаные дюны, вулканическая лава); вторичные – происходящие на месте сформировавшихся биоценозов
после их нарушения (в результате лесных пожаров, вырубки леса, засухи, эрозии и др.) или без такового. Различают множество
форм сукцессии: циклические, восстановительные, антропогенные, ландшафтные, фитогенные, зоогенные и др. Подробное обсуждение форм сукцессии не является целью нашей работы, однако, некоторые из них мы кратко обсудим.
Понятия «сукцессия» и «климакс» особо важны для ведения
лесного хозяйства, при проведении лесозаготовок. Последним
должна сопутствовать восстановительная сукцессия. Пример
этой сукцессии рассмотрен выше. Из наблюдения за сукцессиями
в природных системах следует, что, как правило, не эффективно
на вырубках создавать искусственные хвойные насаждения путем посева семян или посадки выращенных в питомниках саженцев. Если предшествовавшим ходом сукцессии в бывшей экосистеме не подготовлена смена хвойными, то культуры неизбежно
будут отторгнуты и погибнут. В целях их сохранения, человек
обязан будет взять на себя все управление энергетикой экосистемы, что не экономично. Необходимо будет вносить удобрения,
бороться с консументами (копытными, членистоногими, бакте-
59
риями, грибами). Также необходимо учесть, что сукцессия сопровождается жестким статистическим эффектом естественного
отбора, а 4-5 тысяч практически одинаковых саженцев не дают
материала для отбора. Эпидемия какой-либо болезни уничтожит
их полностью. Таким образом, энергозатраты людей на изменение сукцессионных процессов экосистемы будут соизмеримы с
затратами солнечной энергии на закономерное течение сукцессии.
Непродуманное вмешательство в сукцессионный процесс,
без глубокого знания конкретной системы может привести к ее
распаду. Например, вспышки массового размножения насекомых
в лесах – проявление сукцессионного процесса. Подавление этих
вспышек посредством ядохимикатов может иметь не только положительные, но и отрицательные последствия, т.к. уничтожение
одного из участников сукцессии прямо или косвенно влияет на
других.
Хозяйственная деятельность человека обусловливает антропогенные сукцессии. Этот тип сукцессии связан с рекреационным (для отдыха) или пастбищным использованием экосистем.
Он имеет место на болотах подвергнутых осушению, при пахотном ведении сельского хозяйства и др. Антропогенные сукцессии
могут либо приводить к разрушению (дигрессии) экосистем и
снижению их продуктивности, либо иметь восстановительный
характер.
60
Распахав целинные участки и посеяв на них ту или иную
культуру, хозяйство получает определенный урожай. Этот урожай представляет собой ассимилированные растениями питательные вещества почвы, кислород и углерод атмосферы, которые в дальнейшем отчуждаются из экосистем; урожай собирают
и увозят. На следующий год возможны различные варианты использования той же площади: восстановление плодородия за счет
внесения удобрений с повторением данной культуры, «отдых»
почвы под паром, замена культуры, например картофеля на рожь
или кормовые травы; а также использование обогащающих почву
растений. Первый вариант является самым нерациональным
прежде всего из-за своей затратности. Кроме того, в почве накапливаются вредители и возбудители болезней именно той культуры, которая здесь выращивалась. Более оптимальными являются
третий или четвертый варианты, т.е. хозяйство имитирует сукцессию, используя принцип чередования полей (севооборот).
Под севооборотом полей, полный цикл которого называют ротацией, понимают размещение и чередование сельскохозяйственных культур на отведенном для этой цели участке. Севооборот
предусматривает соответствующие системы обработки почвы,
применение удобрений и другие мероприятия, направленные на
сохранение и повышение почвенного плодородия. Известно, что
злаки требовательны к азоту (N) и замена их на данной площади
на бобовые позволяет восстановить содержание азота в почве.
61
Применяют севообороты различной длительности – от трех- до
двенадцатипольных [33].
Примерами антропогенных восстановительных сукцессий
являются восстановление экосистемы после лесного или степного пожара, пастбищные восстановительные сукцессии.
Антропогенные сукцессии при осушении болот зависят от
особенностей осушения (дренажа), от природной зоны, от типа
болот. В ходе такой сукцессии может улучшаться рост деревьев
(если избыток влаги был лимитирующим фактором), могут угнетаться популяции сфагновых мхов, клюквы, происходить замена
одних видов растений на другие.
В природных условиях Российской Федерации сукцессии,
как правило, имеют циклический характер длительного периода.
При этом природная экосистема при отсутствии вмешательства
человека стремиться вернуться в прежнее состояние, наиболее
соответствующее данному экотопу. Устойчивые по биоразнообразию экосистемы можно назвать климаксными. Климаксными
являются таежные экосистемы, целинные ковыльные степи [33].
Не характерна восстановительная сукцессия для экваториальных тропических лесов [19]. Здесь имеет место потеря самых
продуктивных экосистем вследствие подсечко-огневой системы
земледелия. В бразильской части Амазонки около 60 тысяч семей
сводят ежегодно 500 000 га лесов. Полученные участки для земледелия при этом быстро утрачивают свое плодородие в результате нехватки удобрений и эрозионных процессов. Освобожден-
62
ный от джунглей участок используют примерно в течение двух
лет; затем его урожайность резко падает. На месте вырубленного
леса формируются степные экосистемы, с гораздо меньшей продуктивностью.
Для количественной оценки сукцессионных процессов используют данные демэкологии (популяционной экологии). Численность живых организмов, населяющих ту или иную экологическую систему, никогда не остается постоянной, она всегда колеблется. Эти колебания в общем случае называют флуктуациями. Они имеют важное значение для человека, поскольку многие
животные и растения являются предметом его хозяйственной
деятельности или причиной какого-либо ущерба. Поэтому знание
закономерностей динамики численности популяций необходимо
для прогнозирования возможных нежелательных явлений и внесения в случае необходимости коррективов в эту динамику с целью управления ею.
Приведем пояснения ключевых терминов.
Под динамикой численности понимают изменение общего
числа организмов в пределах систематической категории (например, вида биологического) на данной территории. Изменение
численности видового населения приводит и к изменению его
плотности (например, на площади в 1 м2; 1 га и т.д.).
Рождаемость – среднее число потомков, в том числе детей
на одну сотню или тысячу размножающихся особей, за год или
63
иную единицу времени. Рост числа новых особей в популяции за
счет размножения [31].
Смертность – число особей, умерших или погибших за
единицу времени (часто – за год) по отношению к условному их
числу (чаще на 100 или 1000), обитающему на некоторой территории, или ко всему объему рассматриваемой популяции [31].
Таким образом, если мы рассматриваем рождаемость и
смертность относительно всего объема популяции, то разность
их соответствует приросту численности популяции. Равенство
рождаемости
и
смертности
(нулевой
прирост)
отражает
стабилизацию численности популяции какого-либо биотопа.
Часто в экологии употребляют термин «выживаемость» –
число особей (в процентах), сохранившихся в популяции за определенный промежуток времени. Обычно выживаемость определяют для разных возрастов и половых групп за разные сезоны,
годы, периоды повышенной смертности, в том числе в результате
антропогенных воздействий или действия неблагоприятного фактора (засухи, мороза и т.п.). Существует понятие «выживание
индивида» – способность особи сохранять свою жизнь при изменении окружающей среды [31].
При климаксном состоянии экологической системы в течение длительного промежутка времени прирост численности близок к нулевому. В случае сукцессионных процессов, наблюдаем
некоторую динамику численности популяции, например, соответствующую одному из графиков, представленных на рис.2.10.
64
N
N
М
N
К
К
М
М
τ
τ
а
б
τ
в
Рис. 2.10. Примеры типов динамики популяций
Пояснения к рис.2.10: а – j – образная кривая экспоненциального роста; δ - S – образная кривая (логистическая); в – экспоненциальный рост до определенного предела с последующим
спадом численности (колоколообразная кривая); М и К – нижний
и верхний пределы численности популяции.
Теоретически прирост численности популяции в нелимитированной какими-либо факторами среде характеризуется экспоненциальным законом и описывается так называемой j-образной
кривой (неограниченный все ускоряющийся прирост). При этом
прирост r зависит от некоторой исходной численности N0. Поскольку особи не только рождаются, но и умирают, имеем r =Р-С
(где Р – рождаемость, С – смертность). При r =const скорость

роста  dN

dτ




пропорциональна начальной численности N0
dN =
rN 0
dτ
Численность в любой момент времени τ
65
(2.5)
Nt = N0e
rτ
(2.6.)
Этот закон идеализированный. В реальных условиях беспредельный экспоненциальный рост численности популяций невозможен. Всегда существуют некоторые предельно высокая (К)
и предельно низкая (М) численности (плотности) популяции для
конкретной экосистемы. По достижении некоторой максимально
высокой численности в действие вступают ограничительные механизмы, например: общая нехватка пищи, заболевания, поражение паразитами и т.д. В этом случае возможны два варианта
дальнейшей динамики данной популяции.
Первый вариант – численность стабилизируется (рис.2.10:
б) и в целом ее динамика характеризуется так называемой логистической (S-образной) кривой. Уравнение в этом случае имеет
вид:
dN
Отношение K
−N
K
dτ
−
= rN K N
K
(2.7)
отражает «сопротивление» среды, под
которым понимают совокупность факторов, препятствующих неограниченному росту численности популяции.
Второй вариант – после достижения предела К наступает
массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к
некоторому нижнему пределу М (см. рис.2.10: в), после чего нарастание может начаться вновь. Подобные колебания численно-
66
сти с правильной периодичностью типичны для многих живых
организмов (вспомните, например, ежегодное «цветение» воды).
На практике в ряде случаев необходимо знать, какое количество особей в популяции вредного вида выживет в конце вегетационного периода (периода года, в который возможен рост и
развитие растений в данных климатических условиях), с тем,
чтобы сделать прогноз опасности размножения на следующий
год, предсказать возможный ущерб и запланировать защитные
мероприятия в сельском или лесном хозяйстве. Именно выживаемость и характеризует жизненное состояние популяции.
Исследования динамики выживаемости беспозвоночных
животных позволил вывести следующий фундаментальный закон
выживаемости: численность особей в данном поколении популяции в любой момент времени является функцией только начальной численности N0 и времени τ, прошедшего с начала раз-
(
вития поколения: N τ = f N 0;τ
).
Нахождение явного вида данной функциональной зависимости для конкретных условий – задача научных исследований.
Отметим, что популяциям организмов-консументов свойственны широкие и относительно быстрые флуктуации (колебания)
численности. Популяции продуцентов-фотосинтетиков относительно стабильны. Многие животные имеют тенденцию к более
или менее регулярным изменениям численности, с определенной
периодичностью, повторяемостью. Амплитуда численности может быть исключительно широкой. Так численность некоторых
67
видов саранчи периодически увеличивается в тысячи раз. При
этом могут происходить массовые перемещения (миграции) на
большие расстояния. Ряду растениеядных насекомых свойственны периодические вспышки массовых размножений популяций в
лесных экосистемах, при этом личинки почти наголо съедают ассимиляционный аппарат фотосинтетиков (листья, хвою). Иногда
после таких повреждений деревья погибают. Классические исследования динамики численности популяций рыси в Северной
Америке выявили периодические (через 9-10 лет) увеличения
численности, следовавшие за ростом численности популяции
зайца-беляка, являющегося основным кормом рыси. Такие флуктуации с правильной периодичностью называют осциляциями.
Популяции многих видов имеют примерно постоянный уровень
численности и плотности с незначительными изменениями во
времени. При сукцессии динамика популяции имеет вид логистической кривой, идущей из начала координат (при τ = 0 имеет
место иммиграция организмов из соседних областей); верхний
пологий, переходящий в горизонталь, участок кривой можно
принять за установление климакса.
Колебания численности животных в природных и антропогенных экосистемах имеют большое значение для людей. В период массовых размножений насекомых в лесах или на сельскохозяйственных культурах; в случаях резких возрастаний численности грызунов (мышей, крыс) в населенных пунктах, наносится
существенный ущерб приросту древесины, урожаю, запасам про68
дуктов. Поэтому перед человеком периодически встает задача
борьбы с «вредителями», для чего требуются затраты энергии и
материалов. Важно своевременно предвидеть вспышку размножения той или иной популяции в конкретной экосистеме для
предотвращения ущерба. Для достоверного прогнозирования изменений численности живых организмов, необходимо знать причины, по которым они происходят и закономерности развития.
Первопричинами являются динамические во времени и в пространстве экологические факторы.
Экологический фактор – это любой не расчленяемый далее элемент окружающей среды способный оказывать прямое
или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном
из этапов его индивидуального развития. На действие экологического фактора организм отвечает приспособительными реакциями. Откликом на изменение состава экологических факторов или
их уровней (численных значений) могут явиться мутации организмов. Мутации (от лат. mutatio – изменение), внезапное, естественное или вызванное искусственно наследуемое изменение
генетического материала, приводящее к изменению тех или иных
признаков организма [31]. Изменения проявляются морфологически (в изменении внешнего вида и строения органов) и/или в
физиолого-поведенческом плане. Мутации связаны с изменением
числа и структуры хромосом, с изменением структуры отдельного гена или их группы. Таким образом может произойти перестройка структуры ДНК, поскольку ген – это участок молекулы
69
ДНК (у некоторых вирусов – РНК). Ген – наследственный фактор, функционально неделимая единица генетического материала. Ген кодирует первичную структуру белка (полипептида),
молекулы транспортной или рибосомальной РНК, или взаимодействует с регуляторным белком.
Все экологические факторы можно разделить на две большие группы: биотические (живой природы, биогенные) и абиотические (неживой природы, абиогенное). При этом обе эти категории факторов могут либо формироваться в результате деятельности людей (антропогенные экологические факторы), либо без
таковой (природные экологические факторы). Мы постоянно
сталкиваемся с таким понятием, как климатические условия. Непосредственно воздействуют на наш организм: температура, солнечный свет, влагосодержание – это и есть экологические факторы, абиотические природные экологические факторы. «Домашние» пчелы, опыляющие растения – биотический антропогенный
экологический фактор. Более подробно вопросы, связанные с
классификацией экологических факторов и механизмами их воздействия на живые организмы обсуждены в работах [6,33].
Теории динамики популяций, целью которых является прогнозирование динамики и управление численностью, подразделяют на две большие категории: факториальные и системные (см.
табл.2.1).
Из данных табл.2.1 следует, что факториальные теории связывают изменения численности популяций с конкретными эколо-
70
гическими факторами. Эти теории базируются на экспериментальном материале, полученном на основании статистически
обоснованных корреляционных зависимостей между режимами
экологических факторов и изменениями численности животных.
Большинство факториальных теорий построено на материале из
мира беспозвоночных, являющихся удобным тест-объектом для
наблюдения и накопления статистического материала.
Таблица 2.1
Классификация теорий динамики популяций [33]
Факториальные
Системные
Наименование
Состав факторов
теории
Парази- Консументы II порядка –
тарная
паразиты, хищники, возбудители заболеваний
Трофи- Качество растительной
ческая
пищи
Наименование
Состав факторов
теории
СинтеКонсументы II порядка,
тическая качество пищи, факторы
погоды
ГрадоКомплекс всех биотичецен
ских и абиотических
факторов
Клима- Динамика метеорологи- ФеноТемпы размножения
тическая ческих факторов (темпе- менолоратуры, влагосодержа- гическая
ния и др.)
МетеоШиротные и меридио- СтациПространственносинопнальные циркуляции ат- альная
временная
структура
тическая мосферных масс
стации обитания (экосистемы)
ГелеоСолнечная активность
климатическая
Поясним: стация – место обитания популяции [31].
71
Паразитарная теория (см. табл.2.1) состоит в том, что периодически популяции растениеядных животных выходят из-под
контроля управляющих (регулирующих) факторов (паразитов,
хищников) и получают возможность неограниченно размножаться.
Четыре другие факториальные теории: трофическая, климатическая, метеосиноптическая, гелеоклиматическая дополняют
друг друга, при этом, качество корма (т.е. химизм пищи) – это
управляющий фактор по отношению к растениеядным животным, но оно, в свою очередь зависит от климатических, погодных, почвенно-грунтовых условий. Метеорологические факторы
воздействуют на животных как непосредственно, так и опосредственно – через воздействие на популяции кормовых растений.
Это доказано большим экспериментальным материалом и положено в основу производственного прогнозирования изменений
численности хозяйственно значимых организмов в сельском и
лесном хозяйстве [33]. Погодные условия, в свою очередь, зависят от циркуляций воздушных масс и от солнечной активности,
для которой характерны повторяющиеся с разной периодичностью циклы. Применение на практике данных теорий затруднено,
необходимы дополнительные натуральные наблюдения. Известно, например, что если дефицит влажности в течение двух-трех
лет подряд превышает средний многолетний для вегетационного
периода, то многие виды насекомых дают вспышки массовых
размножений и наносят ущерб. Смена мередиальной циркуляции
72
атмосферы на широтную (с востока на запад) ведет к волнообразному нарастанию численности многих животных. Но далеко
не все популяции одного и того же вида и не во всех экосистемах
столь сильно увеличивают свою численность. Для того, чтобы
точно предсказать время и место подобной угрозы, необходимо
вести постоянные натурные наблюдения за хозяйственно значимыми видами в экосистемах, т.е. осуществлять экологический
мониторинг.
Системные теории (см. табл.2.1) объясняют причины изменений численности организмов в природе. В частности, синтетическая теория рассматривает колебания численности как результат взаимодействия положительных и отрицательных связей в
системе жертва – хищник (см. рис.2.7), отдавая ведущую роль
именно хищникам и паразитам, т.е. эта теория близка к паразитной. Теория градоцепа объясняет динамику численности популяций воздействием всего комплекса экологических факторов. Как
биотических, так и абиотических. Феноменологическая теория
анализирует зависимость численности во времени от темпов размножения и расселения, основана на построении особых графов
– фазовых портретов популяций в системе координат: численность – время. Стациальная теория основана на экосистемных
принципах и формулируется следующим образом: состав, структура и динамика популяций консументов, как производные биоценотической
сукцессии,
определяются
пространственно-
временной структурой стации обитания, включая структуру по-
73
пуляций кормовых растений – продуцентов. Колебания численности консументов как часть сукцессии определяются всей совокупностью экологических факторов на данном этапе сукцессионного процесса. Поскольку сукцессия – целостный процесс, то и
динамику популяций входящих в состав биоценоза программирует сама экосистема на данном этапе развития. Например,
вспышка численности консументов – фитофагов (животных, питающихся растениями) при засушливой погоде необходима. Объединение хвои и листьев насекомыми в таких условиях полезно,
так как временно сокращает транспирационный аппарат (аппарат
физиологического испарения воды растениями). Кроме того, погибает лишь часть деревьев, а не вся популяция. Деревья гибнут
лишь на тех участках, где они уже ослаблены ранее бедностью
условий и находятся на возрастном пределе. В этих условиях фитофаги являются инструментом сукцессии, призванным освободить место для нового поколения древесной породы или для новой экосистемы. Отсюда понятно, что мониторинг следует осуществлять не за динамикой популяций консументов – фитофагов,
а за состоянием популяций кормового растения – продуцента с
учетом структуры экологической системы. Известно, что в одних
экосистемах численность консументов – фитофагов возрастает в
тысячу раз, после чего падает практически до нуля, а в соседних
– изменяется у того же вида на той же породе деревьев незначительно. Причины таких различий кроются в особенностях пространственно-временной структуры стации обитания, т.е. в
74
разобщенности и концентрированности индивидуумов, слагающих популяции как консументов, так и их кормовых растений –
продуцентов. Разобщенность мест обитания популяции во времени, в пространстве; или во времени и в пространстве препятствует неограниченному росту численности. Поэтому в пространственно-сложных экосистемах с большим видовым разнообразием и разветвленными пищевыми сетями имеется достаточный запас информации для компенсирования положительных обратных связей отрицательными. Такие экосистемы (смешанные
леса, включая тропические; полевые культуры с многопольным
севооборотом) высокоустойчивы, и широких изменений численности отдельных популяций биоценоза в них не происходит. Отметим, что одной из важнейших причин неудач с искусственным
восстановлением леса на вырубках и гарях является именно
стремление создать монокультуры, т.е. выращивать на огромных
площадях какую-либо одну древесную породу. Такие культуры
обычно погибают в течение первого же десятилетия [33].
Обобщая
сведения
по
теориям
динамики
популя-
ций,·представленным в табл.2.1, относительно природных наземных экосистем можно сформулировать общий закон управления
[33].
Управляющим звеном в природной экологической системе является предыдущий (нижний по потоку энергии в пирамиде) уровень пищевой цепи, а управляемым – последующий
(верхний). Со стороны предшествующих звеньев пищевой це-
75
пи по отношению к последующим характерны процессы
управления, а со стороны последующих звеньев – адаптирование (приспособления). Независимо от места данного вида в
пищевой цепи приоритет в управлении принадлежит абиотической компоненте среды.
Изменения в последней приводят и к гибели несостоятельных видов, и к естественным мутациям живых организмов, порождая новые виды. Мутационные процессы обусловлены извне
сигналами идущими от природы в целом. Управлять ими можно
лишь регулируя внешние условия. Методы генной инженерии
безуспешны, если они не соответствуют внешним условиям – соответствующему набору экологических факторов.
В антропогенных или полностью управляемых человеком
(например, сельскохозяйственных) экосистемах – агроценозах
приоритетным фактором управления является деятельность человека. При этом следует учитывать, что антропогенное управление является ресурсно- и энергоемким процессом, и оценки его
эффективности лежат в сфере экономики рационального природопользования (истинно рационального) [28].
Сегодня, например, установлено, что биологический метод
борьбы с вредителями растений в природных экологических системах (применение паразитов, хищников, возбудителей болезней)
в силу сформулированного выше общего закона управления не
рационален (да и доказательных фактов успешности его применения в мировой литературе не существует); в антропогенных
76
экосистемах затраты на его реализацию, как правило, не компенсируются экономическим эффектом [33].
Таким образом, знание сукцессионных закономерностей,
особенностей климакса и гомеостаза в условиях данного экотопа
позволит нам избежать борьбы с «ветряными мельницами», избежать излишних затрат и не навредить существованию собственно человека.
2.3. Стабильность функционирования природных экологических систем и качество жизни
Нормальное качество жизни людей поддерживается стабильным функционированием природных экологических систем.
Под качеством жизни понимаем совокупность условий, обеспечивающих (или не обеспечивающих) комплекс здоровья человека
(людей) [31]. Производными от этого понятия являются: качество
воздуха и воды, пищи, величина энергопотребления.
Компонентный или количественный состав приземного воздуха сегодня обусловлен функционированием лесных экосистем
и экосистем океана. Именно благодаря жизнедеятельности зеленых растений (продуцентов) и деструкторов (редуцентов) – обеспечивающих замкнутость биохимических циклов, содержание
кислорода в приземном слое атмосферы составляет ~ 21 % (по
объему), а диоксида углерода – 0,02 ÷ 0,04 % (по объему).
77
В очистке вод, загрязненных биогенами, а также нефтью,
решающая роль принадлежит бактериям – редуцентам.
Наша пища представляет собой не что иное, как избыточную продукцию продуцентов и консументов в условиях искусственно вызванных сукцессий. При этом необходимо помнить о
той доле продукции, которая необходима для воспроизводства
источников питания, о живых организмах.
Выше было показано, что функционирование любой экологической системы можно оценивать направлением и величиной
энергетических потоков. Излишнее отторжение биоэнергии в антропогенный канал или избыточные выбросы антропогенной
энергии в окружающую природную среду приводят к негативным последствиям и для природы, и для человека (см. рис.2.2).
Все экологические системы, и в целом биосфера – открытые
системы с достаточно замкнутыми круговоротами веществ (см.
рис.2.2), поэтому привнесение в них (или отторжение из них) определенных количеств массы биогенов и энергии приводит к нарушениям функционирования систем, в пределе к гибели прежних, образованию новых экосистем. Но обеспечивается ли экологическая ниша для самого человека в новых экологических
системах? В ряде случаев продуктивность новых экосистем не
может обеспечить потребности человека, возникают и другие негативные тенденции. Наиболее сложен вопрос о скоррелированности различных живых организмов биоценоза. Принцип Ле Шателье подтверждает необходимость высокой степени замкнуто-
78
сти круговоротов веществ (биогенов) в природных экологических системах, в том числе соседствующих с человеком, а также
в агроценозах. В работе [13] показано, что в естественных условиях после усреднения по сезонным колебаниям и среднегодовым флуктуациям величина показателя разомкнутости биологических круговоротов поддерживается на уровне 10-4, т.е. сотых долей процента. Показатель разомкнутости К рассчитывают по формуле:
К =
Р (+ ) − Р (− )
Р (+ )
(2.8)
где Р(+) и Р(-) – поток синтеза и разложения биомассы,
кг/м2·год.
Соотношение (2.8), численные значения показателя разомкнутости К для природных экологических систем, а также сведения, приведенные о потреблении продукции растительности суши в зависимости от размеров особей и особенностях питания
консументов больших размеров: от 10-2 до 2 м (последним необходимы органические вещества, синтезированные в других живых организмах), сведения об экологических пирамидах – все
они свидетельствуют, что наиболее тонкими и неустойчивыми в
жизни являются именно консументы. При этом с увеличением
порядка консумента (консумент II порядка, консумент III порядка и т.д.), его размеров и подвижности, неустойчивость, генетическая неприспособленность к изменению условий жизни возрастают. Вспомним о динозаврах и мамонтах. Уберем консумен79
тов из схемы рисунка 2.2, круговороты веществ (биогенов) все
равно будут замкнутыми, потребуется, возможно, лишь большее
число редуцентов. Эта информация важна людям, которые являются консументами не менее чем III порядка крупных размеров
активно передвигающимися. Роль их плоти слишком мала для
функционирования естественных биоценозов, генетический же
код их есть продукт мало зависящих от них процессов (если исключить негативные явления, обусловленные социальностью),
даже не смотря на возможности клонирования и генной инженерии. Будем внимательны к явлениям в окружающей нас и независимой от нашего сознания природе.
Одна из основных задач рационального природопользования – вести хозяйство таким образом, чтобы в природных экосистемах К не превышал 0,000А. Изменение величины К происходит вследствие загрязнения среды. Под загрязнением мы понимаем: привнесение в среду или возникновение в ней новых,
обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов, нередко приводящее
к негативным последствиям [31].
80
Вопросы для самостоятельных занятий
1. Сколько различают уровней организации живой материи?
2. Из каких компонентов состоят экологические системы?
3. Приведите примеры экологических систем.
4. Приведите примеры взаимодействий между живыми организмами, между организмами и компонентами окружающей неживой среды.
5. Приведите синоним слова «трофический».
6. В чем состоит различие между продуцентами и консументами?
7. Какие организмы называют редуцентами?
8. Приведите пример трофической цепи с указанием конкретных
живых организмов и их трофическую принадлежность. Обратимы ли потоки массы и энергии в этой экологической цепи?
9. Приведите примеры биогенов.
10. На что расходуется энергия потребленной пищи?
11. Что такое экологическая пирамида?
12. Основываясь на экологическом понятии урожая, объясните, в
чем заключено противоречие между хозяйственными устремлениями людей и стратегией развития природы.
13. В чем заключен смысл образования сообществ живых организмов с экологических позиций?
14. Какие живые организмы наиболее, а какие наименее устойчивы к изменению условий окружающей среды? С эколого-
81
биологических позиций к каким из них следует отнести человека?
15. Какие ограничения на потребление цивилизации накладывает
необходимость сохранения биотических круговоротов веществ?
16. Какова роль отрицательных и положительных обратных связей в поддержании гомеостаза экологических систем?
17. Какова роль «помех» в эволюционном процессе?
18. Проиллюстрируйте единой кривой сукцессию, климакс, гомеостаз. Какие переменные отложите на координатных осях?
19. Перечислите главные отличительные признаки экологического фактора.
20. Приведите примеры антропогенных биотических экологических факторов и природных абиотических экологических факторов.
21. Можно ли улучшить природу в зонах покоя, практически не
охваченных деятельностью человека?
22. Каков порядок показателя разомкнутости биотических круговоротов в природных экологических системах?
82
3. ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ
АСПЕКТЕ
3.1. Классификация природных ресурсов по признаку
исчерпаемости
Понятие «природный ресурс» условно и приобретает смысл
только в течение некоторого отрезка времени, соизмеримого с
исторической шкалой времени, протяженностью в несколько тысяч лет, зачастую и короче: протяженностью в сотни или десятки
лет. Относительность понятия «биологический природный ресурс» обсуждена выше при анализе степени замкнутости круговоротов веществ в экологических системах.
В прирордопользовании принято следующее определение:
ресурсы природные – это тела и силы природы на данном этапе
развития, которые использует человек для поддержания своего
существования. Природные ресурсы используют в качестве:
• непосредственных предметов потребления (питьевая вода, кислород воздуха, дикорастущие съедобные и лекарственные растения, рыбы и др.);
• средств труда, с помощью которых осуществляется общественное производство (земля, водные пути и т.д.);
• предметов труда, из которых производят все изделия
(минералы, древесина и др.);
• источников энергии (гидроэнергия, запасы горючих ископаемых, энергия ветра и т.п.);
83
• объектов отдыха, оздоровления и других подобных целей.
Вся жизнь и деятельность человека, территориальное расселение и размещение производительных сил зависят от количества, качества и местоположения природных ресурсов.
В основе классификации природных ресурсов лежат несколько признаков: происхождение, виды хозяйственного использования, по заменимости, по исчерпаемости [28,32]. Наибольший интерес для целей обоснования путей рационального
природопользования представляет деление природных ресурсов
по признаку исчерпаемости. Соответствующая классификация
представлена в виде схемы на рис.3.1.
Природные ресурсы, прежде всего исчерпаемые, играли и
продолжают играть огромную роль в жизни и экономическом
развитии человеческого общества. В результате их извлечения из
природы и переработки создан современный материальный мир,
функционируют важнейшие отрасли экономики, начиная с добывающей промышленности, удовлетворяются потребительские
нужды населения.
Возобновляемость ресурсов природы означает их способность (или неспособность) к самовосстановлению посредством
природных циклов или процессов. Исчерпаемость отражает
скорость исчерпания. Для исчерпаемых ресурсов характерна
высокая скорость исчерпания; для неисчерпаемых – низкая. Таким образом, критерий исчерпаемости носит относительный ха-
84
рактер. Поэтому ряд природных ресурсов занимает промежуточное положение по отношению к данному классификационному
признаку (см. рис.3.1).
Полезные ископаемые постоянно образуются в недрах земной коры в результате непрерывно протекающих процессов, но
скорости их формирования измеряются по геологической шкале
Природные ресурсы
времени, т.е. миллионами,
многими сотнями миллионов лет; на-
пример, возраст каменных углей насчитывает более 350 млн. лет
[32], а интенсивное формирование высококачественных железиИсчерпаемые
Неисчерпаемые
стых кварцитов в результате химического осадконакопления
проходило в докембрийскую эпоху рудообразования:
свыше
570
энергия солнца
и
ее производные
млн. лет назад, при общем возрасте планеты
Земляветра);
– около 4,5
(энергия
Относитель- НевозобноВозобноэнергия волн
и пано возобномлрд. вимые
лет. Активное
же использование
полезных
ископаемых
вимые
дающей воды;
вимые
имеет
продолжительность
100 лет.
последних 50
энергия морских
ресурсы
рас- древесные: около
полезные
ис- В течение
течений отливов и
и деревья
боль- активно
копаемые:
леттительного
многие ресурсы
особо
потребляются.
согласно
приливов;Так
энергия
животного
шого возрас- рудные и неземных
недрг.,(геомира, ресурта;опубликованного
почвенно- рудныевмеспрогноза
Айерса,
Лондоне
в 1997
к 2040 г.
термальная); атсы поверхземельные
торождения
мосферный
воз- нецедобыча
природного
газа,плонефти,
угля станет
экономически
ностных
вод ресурсы:
полезных
исдух, вода
дородие почв, копаемых
лесообразной, уже сегодня желательно уменьшить использование
некоторое
нефти на 85 %, минеральное
природного газа – на 70 %, угля – на 20 % [20].
сырье; ресурТаким образом, сы
освоение
подзем- минерального сырья происходит по исных вод
торической шкале времени и характеризуется возрастающим
объемом изъятия. Поэтому все минеральные ископаемые ресурсы
рассматривают в качестве не только исчерпаемых, но и невоРесурсы биоразнообразия
зобновимых ресурсов.
Ассимиляционный ресурс биосферы
85
Рис. 3.1. Классификация природных ресурсов
по их исчерпаемости и возобновимости [28]
Особое место занимают почвенно-земельные ресурсы. В естественном природном виде – это материальный базис, на котором происходит жизнедеятельность человеческого общества.
Морфологическое устройство поверхности (рельеф) существенно
влияет на хозяйственную деятельность, на возможность освоения
территории. Однажды нарушенные земли (например, карьерами
или искусственной планацией рельефа при крупном промышленном или гражданском строительстве) в своем естественном виде
уже не восстанавливаются.
Относительно (не полностью) возобновимые ресурсы хотя и восстанавливаются в исторические отрезки времени, но возобновляемые объемы их значительно меньше объемов хозяйственного потребления. Именно эти виды ресурсов очень уязвимы и требуют особенно тщательного контроля со стороны человека. К относительно возобновимым ресурсам относятся очень
дефицитные природные богатства: 1) продуктивные пахотнопригодные почвы; 2) леса с древостоем спелого возраста; 3) водные ресурсы в региональном аспекте.
Продуктивных пахотно-пригодных почв сравнительно немного, по разным оценкам на 1990 год их площадь не превышала
1,5-2,5 млрд. га [32]. Наиболее продуктивные почвы, относящиеся к первому классу плодородия, занимают, по оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО),
86
всего 400 млн. га. Продуктивные гумусовые слои образуются
крайне медленно – на формирование 1 мм слоя, например, черноземных почв требуется более 100 лет [32]. В то же время процессами ускоренной эрозии в результате нерационального землепользования за один год может быть разрушено несколько десятков мм верхнего, наиболее ценного пахотного слоя. Согласно
[10] возраст некоторых типов почв составляет:
- черноземы и темно-каштановые почвы – не менее 25003000 лет;
- светло-каштановые почвы и солонцы – 1000-2000 лет;
- дерново-подзолистые, серые лесные, бурые лесные почвы
– 800-1000 лет;
- дерново-каштановые, торфяно-глеевые, горно-луговые,
лугово-каштановые почвы – порядка 500-800 лет.
Антропогенное разрушение почв в последние десятилетия
происходит особенно интенсивно.
Леса с древостоем спелого возраста, т.е. леса, древостои которых достигли промышленной спелости и пригодны для производства пиловочника и других видов промышленной лесной продукции, пользуются повышенным спросом и поэтому усиленно
вырубаются. Для полного восстановления вырубленных лесов
необходимо длительное время: 100÷150 лет. Поскольку, прирост
биомассы таких лесов невелик, то нормы допустимых рубок
должны быть научно обоснованы. При нарушении этого принципа естественного восстановления древесины не происходит.
87
Запасы пресных вод (см. рис.3.1) сосредоточены неравномерно, и на обширных территориях существует дефицит вод,
пригодных для употребления в системах водопользования. Особенно сильно страдают от недостатка воды аридные (зоны полупустынь) и субаридные (зоны пустынь) районы, где нерациональное водопотребление (например, водозабор в объемах, превышающих естественное восстановление вод) сопровождается
быстрым, часто катастрофическим истощением водных запасов.
Необходим точный учет количества допустимого изъятия водного ресурса по регионам.
Возобновимые ресурсы (см. рис.3.1) – это прежде всего ресурсы растительного и животного мира. И те и другие восстанавливаются довольно быстро (от нескольких месяцев до нескольких лет), объемы естественного возобновления хорошо и
точно рассчитываемы. Поэтому можно полностью избежать их
истощения при хозяйственном использовании (например, древесины в лесах, травостоя на лугах и пастбищах, диких животных
при промысле), если использование соответствующей биомассы
не превышает пределы ежегодного возобновления.
Производными в разряде неисчерпаемых ресурсов (см.
рис.3.1) являются климатические ресурсы. Наиболее жесткие
требования к климату предъявляют сельское хозяйство, рекреационное и лесное хозяйство, промышленное и гражданское
строительство. Обычно под климатическими ресурсами понимают запасы тепла и влаги, которыми располагает конкретная ме-
88
стность или регион. Общее количество тепла, поступающее за
год на 1 м2 поверхности нашей планеты составляет 3,16·109 Дж
[32]. Территориально и по сезонам года тепло распределяется неравномерно, температура воздуха колеблется от –90оС до +80оС,
хотя средняя для Земли температура воздуха равна примерно
+15оС. Для учета термических ресурсов конкретных территорий
используют сумму активных температур – арифметическую
сумму всех средних суточных температур, за период, когда эти
температуры превышают определенный термический уровень: +5
или +10оС.
Чтобы сделать вывод о возможности произрастания культуры в изучаемом районе, на первом этапе, необходимо сравнить
между собой два показателя: 1) сумму биологических температур, выражающую потребность растения в тепле и 2) сумму активных температур, которая накапливается в данной местности.
Первая величина всегда должна быть меньше второй. По запасу
температурных ресурсов выделяют термические пояса и подпояса; границы между ними проводят условно – по изолиниям определенных значений сумм активных температур выше +10оС. Например, наименьшая сумма активных температур в холодном
поясе – не выше 1000о. Холодный пояс занимает обширные пространства на севере Евразии, в Канаде и на Аляске. Наибольшая
сумма активных температур в жарком поясе, здесь запасы тепла
практически неограничены, они повсюду превышают 8000о, иногда и более 10000о. Территориально жаркий пояс занимает наи-
89
более обширные пространства суши земного шара: преобладающая часть Африки, большая часть Южной Америки, Центральная
Америка, вся Южная Азия и Аравийский полуостров, Малайский
архипелаг и северная половина Австралии.
Суша в целом неплохо обеспечена и атмосферной влагой:
на ее поверхность ежегодно выпадает в среднем около 119 тыс.
км3 осадков. Но распределяются они еще более неравномерно,
чем тепло, и в пространственном, и во временном отношениях.
На суше известны районы, получающие ежегодно более 12000
мм осадков и обширные местности, где за год выпадает менее 50100 мм.
В целях комплексной характеристики агроклиматических
ресурсов для ведения сельского хозяйства в России широко
употребляют гидротермический коэффициент (ГТК) – отношение суммы осадков за определенный период (месяц, вегетативный период, год) к суммам активных температур за это же время.
Его применение основано на эмпирически хорошо подтвержденном допущении: сумма активных температур, уменьшенная в 10
раз, примерно равна величине испаряемости. Следовательно,
ГТК отражает связь между выпадающей и испаряющейся влагой.
Оценка влагообеспеченности территорий для произрастания
сельскохозяйственных культур строится на основании следующей расшифровки ГТК: менее 0,3 – очень сухо; от 0,3 до 0,5 –
сухо; от 0,5 до 0,7 – засушливо; от 0,7 до 1,0 – недостаточное увлажнение; 1,0 – равенство прихода и расхода влаги; от 1,0 до 1,5
90
– достаточное увлажнение; более чем 1,5 – избыточное увлажнение. На основе анализов фактора проводится комплексное агроклиматическое районирование местности. Более подробная информация об изложенном выше содержится в [32].
В среднем многолетнем выражении и запасы тепла, и объемы выпадающей атмосферной воды довольно постоянны, хотя от
года к году могут наблюдаться существенные колебания в обеспечении конкретной территории теплом и влагой. Так как эти ресурсы формируются в определенных звеньях теплового и водного круговоротов, постоянно действующих на планете, запасы тепла и влаги рассматривают как неисчерпаемые в определенных
количественных пределах и точно установленных для каждого
района.
В целом, водные ресурсы нашей планеты обладают колоссальным объемом – около 1,5 млрд. км3 воды: 98% этого объема
составляют соленые воды мирового океана, и только 28 млн. км3
– пресные воды. Ежегодно возобновляемые запасы пресных вод
по разным оценкам колеблются от 41 до 45 тыс. км3 (ресурсы
полного речного стока) [32]. Мировое хозяйство в 90 годах ХХ
столетия расходовало для своих нужд около 4-4,5 тыс. км3 [32],
что составляло примерно 10% от возобновимого водозапаса, и,
следовательно, при условии принципов рационального водопользования эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые.
Тем более если учесть перспективы опреснения соленых вод.
Однако при нарушении принципов рационального природополь-
91
зования ситуация резко обострена в отдельных регионах, например, на границе Мексики и США [26].
Согласно современным представлениям неисчерпаемые ресурсы являются прекрасным источником производства энергии:
солнечная энергия, ветровая, приливная, геотермальная, энергия
температурного градиента вод океана. В настоящее время в данном направлении они используются мало из-за технологических
трудностей освоения и высокой стоимости производимой энергии. Но если учесть фактор исчерпаемости и эффекты загрязнения, то необходимость исследований и практических разработок
в области нетрадиционных источников энергии не вызывает сомнений.
Сегодня основным топливно-энергетическим сырьем являются полезные ископаемые: нефть, каменные и бурые угли, горючий газ, битумные сланцы, уран (точнее U3O8). За исключением последнего, данный вид сырья является по сути аккумулятором солнечной энергии (см. рис.2.2) поскольку оно образовалось
из фрагментов некогда живых организмов. Высвобождаясь в
процессах окисления (горения) эта энергия позволяет людям
жить в тепле и производить работу.
Каждый вид топливного сырья обладает определенной теплотворностью. Например, при сгорании 1 т каменного угля выделяется 27,91·103 МДж энергии, бурого угля – 13,96·103 МДж; 1 т
нефти – 41,87·103МДж; 1 тыс. м3 газа – 38,84·103 МДж энергии.
Для сопоставления различных видов топлива, а также для сопос-
92
тавимости самих топливно-энергетических ресурсов введены
следующие единицы: 1) тонна условного топлива в угольном эквиваленте (тут в уг. экв.), теплота ее сгорания соответствует теплоте сгорания 1 тонны антрацита – 27,91·103 МДж; 2) тонна условного топлива в нефтяном эквиваленте (тут в неф. экв.),
имеющая теплоту сгорания 1 тонны нефти – 41,87·103 МДж.
Отрицательным, с экологических позиций, является то, что
при использовании горючего тепла неизбежно образуются такие
вещества, как оксиды серы и бенз(а)пирен. Оксиды серы, как отмечено ранее, обусловливают кислые дожди, при которых на поверхность льется не чистая вода, а разбавленная серная кислота
(H2SO4). Бенз(а)пирен, попадая в ткани живых организмов, способствует формированию раковых новообразований. Поэтому
актуально использование нетрадиционных энергоресурсов.
Солнечная энергия – самый крупный энергетический источник на Земле: общее количество солнечной энергии примерно
в 17 000 раз превышает современное потребление энергии мировым хозяйством (см. таб.3.1). Но излишнее отторжение ее в антропогенный канал привело бы к деградации существующих
природных экологических систем и к гибели самого человечества. К тому же плотность солнечного излучения на земной поверхности столь мала (даже в тропических пустынях днем она
равна 5-6 кВт⋅ч
кВт⋅ч
м
2
м
2
в день, а в умеренном поясе всего 3,4
), что ее трудно технически освоить. Полагают, что к
93
2020 году за счет преобразования солнечной энергии мировые
потребности в электроэнергии будут удовлетворены на 15-20%.
Ветровую энергию используют с прошлых веков в Англии,
Голландии, Франции и других странах, но в небольших масштабах. Тем не менее испанская провинция Альбасете полностью
обеспечена электроэнергией от ветровых установок. Современные ветросиловые установки создают в Японии. Общие ресурсы
ветровой энергии Земли огромны (составляют около 6,3·1022
Дж/год – см. таблицу 3.1), хотя и строго локализованы. Для получения единицы электрической мощности за счет ветровой
энергии необходимо в среднем в 4-5 раз больше площади, чем
для гелиоустановок [32].
Использование приливной энергии морских волн основано
на преобразовании энергии удара в гравитационную, тепловую и
электрическую формы энергии. В мире имеется свыше 25 участков морских побережий с высокими приливами (не менее 7 м высотой) и соответствующей топографией, пригодных для строительства приливных электрических станций (ПЭС) [32].
Сейчас в мире действуют 2 ПЭС – в России (Кислогубская)
и во Франции, в устье Гаронны.
Таблица 3.1
Потоки энергии у земной поверхности и годовой ресурс (расход)
отдельных видов энергии [13]
Виды мощности
Мощность
ТВт
Доля
Мощность солнечного излучения (с.и.)
Поглощение с.и. атмосферой и земной
поверхностью
94
1,7·105
105
1,0
0,69
Годовой ресурс, Дж
5,36·1024
3,15·1024
Поглощение с.и. земной поверхностью
Расход с.и. на испарение
Явные турбулентные потоки тепла
Перенос тепла с экватора к полюсам:
атмосферой
океаном
Поглощение с.и. сушей
Мощность испарения:
сушей (эвапотранспирация)
растениями (транспирация)
Ветровая мощность (мощность диссипации ветровой энергии)
Мощность океанских волн (мощность
волновой энергии)
Мощность фотосинтеза
Гравитационная мощность падения всех
осадков
Гидромощность рек (падение стока всех
рек с высоты 300 м)
Другие виды возобновимых мощностей:
геотермальная
вулканов и гейзеров
приливная
лунного света, падающего на Землю
Современное мировое энергопотребление
человечества
Антропогенное усиление парникового
эффекта
8·104
4·104
~104
0,46
0,24
0,07
2,52·1024
1,26·1024
3,15·1023
3·103
2·103
2·104
0,02
0,01
0,12
9,45·1022
6,3·1022
6,3·1023
5·103
3·103
2·103
0,03
0,02
0,01
1,6·1023
9,45·1022
6,3·1022
103
6·10-3
3,15·1022
102
102
6·10-4
6·10-4
3,15·1021
3,15·1021
3
2·10-5
9,45·1019
30
0,3
1
0,5
10
0,02
2·10-6
6·10-6
3·10-6
6·10-3
9,45·1020
9,45·1018
3,15·1019
1,6·1019
3,15·1020
103
0,6
–
Примечание: 1 ТВт = 1012 Вт.
Геотермальная энергия – внутренняя энергия Земли. Нормальный температурный градиент Земли: 3о на 100 м глубины. В
отдельных местах этот показатель имеет значение до 5о на 100 м
и даже до 1о на 5 м глубины. Геотермальная энергия с мощностью порядка 30 ТВт образуется в результате перераспределения
плотностей вещества и радиоактивного распада в земных недрах
[13]. Гравитационное перераспределение масс совместно с частью геотермической энергии генерирует упорядоченные про-
95
цессы рудообразования в литосфере. Глобальная мощность этих
упорядоченных процессов не превосходит 10 ГВт, что на 4 порядка меньше мощности фотосинтеза глобальной биоты [13].
Геотермальные электростанции действуют в Италии, США, Японии, Исландии и др. Всего в мире их насчитывается 188 общей
мощностью 4760 МВт. Предполагают, что в будущем основное
назначение геотермальной энергии – производство тепла, но при
этом необходимо учитывать высокую токсичность термальных
вод и химическую агрессивность сопутствующих жидкостей и
газов.
Биоконверсионная энергия – энергия, аккумулированная в
биомассе. Количество энергии, заключенное в фитомассе лесов
мира оценивают величиной 1,8·1017 Дж [32]. Древесина служила
топливом еще с первобытных времен, и до сих пор она (вместе с
навозом и прочими отходами сельскохозяйственного производства) дает около 3,6·1015 Дж энергии, потребляемой главным образом населением развивающихся стран. В процессе разложения
отходов (навоза, соломы и т.п.) или органических бытовых отходов целлюлозными анаэробными (обходящимися без кислорода)
организмами при участии бактерий метанового брожения образуется биогаз, используемый как топливо. Биогаз – смесь газов
примерного состава: метан - 55÷65 %, диоксид углерода - 35÷45
%; примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. В мире
эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза, в
том числе промышленных. В основном это примитивные уста-
96
новки в Китае и Индии, но в последние годы созданы соответствующие установки и в промышленно развитых странах.
Говоря о неисчерпаемости отдельных видов ресурсов, отметим, что из космоса к поверхности Земли направлен непрерывный поток атомов гелия, последний при определенных условиях
является источником водорода. Водород является перспективным
сырьем для транспортного топлива и теплоэнергетики.
Для современного общества все большее значение имеет такой комбинированный ресурс, объединяющий элементы и свойства исчерпаемых и неисчерпаемых природных ресурсов, как
биоразнообразие (см. рис.3.1). По оценкам биологов, в настоящее время на Земле насчитывается до 30 млн. различных биологических видов [28]. Биоразнообразие является важнейшим источником генетической информации, используемой в различных областях; в том числе в медицине, при производстве натуральных пестицидов, селекции растений и животных в сельском
хозяйстве и т.д. Сокращение видового разнооборазия – одна из
наиболее острых глобальных экологических проблем. Задачей
современного экономического развития является сохранение и
поддержание биоразнообразия в качестве комплексного природного ресурса. Последнее нашло отражение в материалах КОСР-2,
в «Конвенции по биологическому разнообразию» [21].
Другим примером комплексного ресурса, также приобретшего ключевое значение для современного индустриального общества, служит ассимиляционный (потенциал) ресурс отдель-
97
ных экосистем и биосферы в целом. Ассимиляционный потенциал – это свойство отдельных природных систем и биосферы в
целом «принимать» различные виды загрязнений и отходов, поглощать их и превращать в безопасные, подчас полезные, формы.
В этом смысле ассимиляционный потенциал биосферы можно
рассматривать в качестве важнейшего естественного ресурса,
имеющего свойства, сходные с запасами древесного сырья или
месторождениями полезных ископаемых.
Ассимиляционный ресурс представлен, прежде всего, бактериями и может быть использован для получения металлов. Например, существуют бактерии, способные выщелачивать металлы из руд, называемые хемолитотрофными, т.е. буквально «поедающие скалы». Хемолитотрофные бактерии при умеренных
температурах (+5 ÷ +80оС) используют неорганические вещества
в качестве окисляемых субстратов – доноров электронов. Окисляемый неорганический субстрат является для этих бактерий и
источником энергии, и восстановителем. Такими субстратами
могут быть молекулярный водород («водородные» бактерии), оксид углерода (карбоксидобактерии), восстановленные соединения серы (тионовые бактерии), соединения азота (нитрифицирующие бактерии). Окислителем во всех перечисленных случаях
является молекулярный кислород. Для получения цветных и благородных металлов используют сульфидные руды. В основе биогеотехнологии извлечения металла из этих руд лежит процесс
бактериального окисления сульфидных минералов и элементов с
98
переменной валентностью S(0), S(II), Fe(II), U(IV), Cu(I) в кислой
среде, обеспечивающей вскрытие и перевод из нерастворимой
сульфидной формы в растворимую сульфатную, что обеспечивает в дальнейшем получение металлов в чистом виде [23]. В настоящее время решены теоретические вопросы биогеотехнологии
таких металлов, как медь (Cu), никель (Ni), цинк (Zn), кобальт
(Co), кадмий (Cd), мышьяк (As) и некоторых других элементов. В
процессе бактериального выщелачивания широко используют
для получения меди, урана (U) и золота (Au). В США, например,
получают таким образом более 10% меди от общего объема добычи этого металла. В России и ряде других стран успешно развиваются также методы бактериально-химического выщелачивания сложных медных, цинковых, никелевых, медно-цинковых,
олово- и золотосодержащих мышьяковистых концентратов. Известны методы микробиологического извлечения металлов из
растворов, основанные на использовании особенностей многих
микроорганизмов осаждать их. Микробиологические процессы
извлечения металлов из растворов подразделяют на следующие
три группы: абсорбция металлов на поверхности микробных клеток, поглощение металлов клетками и их химическое превращение. Широко используют способность многих бактерий, водорослей и грибов накапливать неорганические вещества, поглощая
их из растворов и сточных вод. С помощью микроорганизмов и
водорослей можно извлечь из разбавленных растворов до 100%
свинца, ртути, цинка, меди, никеля, кобальта, марганца, хрома,
99
урана и некоторых других элементов, до 96-98% золота и серебра, до 84% платины, 93% селена [23]. Бактериальные полисахариды эффективны для извлечения из растворов радиоактивных
элементов, а также меди и кадмия.
Микроорганизмы позволяют вовлечь в переработку огромные запасы бедных и сложных по составу руд и отходов, а также
расположенные на глубинах месторождения, обеспечивают комплексное и более полное использование минерального сырья.
Бактерии способствуют растворению соединений серы, в
том числе и органических, содержащихся в каменном угле, что
делает возможным освобождать богатый серой уголь от этой
вредной примеси до сжигания или термической переработки.
Установлено, что с помощью бактерий возможно уменьшение содержания метана в воздухе угольных шахт. Для этой цели
используют бактерии, интенсивно окисляющие метан до диоксида углерода и способные развиваться на простых минеральных
питательных средах. В условиях угольной шахты такие микроорганизмы за 2-4 недели окисляют до 70% метана.
Перспективно использование микроорганизмов для повышения нефтеотдачи нефтяных месторождений. Решается также
задача по организации производства биомассы микроорганизмов
для биодеградации токсичных соединений фенолов и производных, гербицидов, пестицидов, ксенобиотиков, а также биомассы
микроорганизмов для очистки сточных вод производств химиколесного, металлургического, топливно-энергетического, агро-
100
промышленного и других комплексов. Таким образом, одновременно решается задача и охраны окружающей среды и добычи
ценных элементов.
Подводя итог, отметим: исчерпаемость и возобновимость
природных ресурсов необходимо учитывать при разработке стратегии рационального природопользования. Для биологических
ресурсов первоочередное значение имеет разработка рациональных норм пользования (потребления), способствующих их естественному воспроизводству. В лесном хозяйстве – это нормы непрерывного лесопользования (в нашей стране их утверждают в
виде ежегодно устанавливаемых показателей расчетной лесосеки); в рыбном хозяйстве – квоты на добычу рыбы; в водном хозяйстве – лимиты водопотребления и водоотведения; в охотничьем хозяйстве – нормы отстрела промысловых животных и т.п.
Другой отличительной особенностью большинства природных ресурсов является то, что их использование жестко лимитировано во времени. Уровень потребления сегодня предопределяет возможность удовлетворения потребностей в будущем. Так,
переруб расчетной лесосеки в текущем году означает, что в следующие годы потребности в древесине будут удовлетворяться на
суженной основе, если только последствия перерубов не будут
компенсированы природовосстановительными мероприятиями.
Еще более отчетливо столкновение сегодняшних и будущих
интересов наблюдается при разработке месторождений полезных
ископаемых, которые на естественной основе не возобновляются
101
в обозримом периоде, в историческом масштабе. Глубоко конфликтным является и использование ассимиляционного потенциала биосферы. Во всех ситуациях необходимо согласование
текущих и будущих потребностей и выработка соответствующей
экологической политики.
Информацию о территориальном размещении конкретных
природных ресурсов и их запасах в мире и по отдельным регионам можно получить, ознакомившись с работой [32], или изучая
материалы периодических научных изданий, например: «География и природные ресурсы», «Природа и ресурсы», «Известия
русского географического общества» и др. В этих изданиях также можно найти сведения о современных тенденциях в организации рационального природопользования.
3.2. Экологические проблемы человечества
Из изложенного выше можно заключить, что слово «экологический» означает жизненный, основанный на взаимоотношениях с другими живыми организмами и абиотической компонентой окружающей среды. Вспомним основные свойства живых
организмов:
• дыхание
• питание
Обмен веществом и энергией;
• выделение
102
• определенный химический состав [у всех живых организмов одни и те же химические элементы, биогены: углерод, С; азот, N; кислород, О; водород, Н; фосфор, Р; сера, S; кальций, Са и др. – объединены в биокомпоненты
определенной структуры];
• самоорганизация химического состава [структура ДНК
обусловливает при биосинтезе конкретную структуру
белков];
• чувствительность [реакция на раздражители];
• подвижность;
• изменчивость [наследственная (генетическая) и ненаследственная (модификационная)];
• адаптация [приспособление к условиям внешней среды,
частный случай изменчивости];
• рост [изменение количественных характеристик];
• развитие [изменение количественных характеристик];
• размножение;
• передача по наследству своих признаков;
• смертность [конечный срок существования объектов].
Нормальное функционирование организма в соответствии с
перечисленными свойствами, или нарушение его вплоть до потери того или иного свойства – и есть проявление экологического
показателя.
Свойства живых организмов реализуются и проявляются
через взаимоотношения. В человеческом организме управляю103
щей является биологическая составляющая. В целом, индивидуум человека можно характеризовать тремя составляющими:
Социальная (общественная составляющая)
Психическая составляющая
Биологическая составляющая
Биологическая составляющая обусловливает наличие остальных, пока мы пребываем воплоти. В основе экологических
показателей человека лежат биологические характеристики. Согласно биологической таксономической классификации человек
принадлежит к царству животных (Animalia), типу хордовых
(Chordata), классу млекопитающих или зверей (Mammalia), отряду приматов (Primates), семейству гоминид (Hominidae), виду
Homo Sapiens.
Внешним проявлением качества жизненного состояния данной популяции или данного вида является численность. Численность организмов, находящихся в гармонии с окружающим миром, колеблется в пределах некоторого гомеостатического плато
(см. рис.2.9) и при выборе соответствующего масштаба ее можно
считать постоянной. Численность людей непрерывно растет, что
свидетельствует о неустойчивом, неравновесном состоянии этого
биологического вида. Сказанное иллюстрируют данные таблицы
3.2.
Таблица 3.2.
Динамика численности населения Земного шара
Дата
Численность насеСредний годовой
ления
прирост численности
104
0 (начало новой эры)
1810 г.
1930 г.
1950 г.
1990 г.
2000 г.
0,3 · 109
1,1 · 109
2,1 · 109
2,5 · 109
5,3 · 109
6,0 · 109
0,44 млн.
8,3 млн.
20 млн.
70 млн.
70 млн.
Прирост численности людей обусловлен не естественным
состоянием кормовой базы, не параметрами экотопа, а лишь социальной составляющей.
Человек имеет свою, только ему присущую, экологическую
нишу, т.е. совокупность биологически обусловленных требований к множеству экологических факторов, выработанную в процессе эволюции. Как биологический вид, человек может обитать
в пределах суши экваториально пояса: в тропиках, субтропиках –
где и возникло семейство гоминид. По вертикали ниша простирается примерно на 3,0-3,5 км над уровнем моря [33]. Но благодаря социальным свойствам человек расширил границы своего
начального ареала: расселился в высоких, средних и низких широтах. Однако его фундаментальная экологическая ниша не изменилась, и за пределами исходно ареала он может выживать не
путем адаптаций, а с помощью специально создаваемых защитных устройств и приспособлений: отапливаемых жилищ, теплой
одежды и т.п.; которые имитируют его нишу. Производственнохозяйственная деятельность человека, использование (переработка) природных ресурсов неизбежно приводят к образованию побочных продуктов – отходов рассеиваемых в окружающей среде.
105
Поступающие в воду, почву, атмосферу отходы (например, химические соединения) подчас являются экологическими факторами, а следовательно элементами экологической ниши живых
организмов, включая самого человека. По отношению к ним,
особенно к верхним пределам, устойчивость человека и других
живых организмов мала, и такие агенты оказываются лимитирующими факторами, разрушающими нишу. Вследствие этого
происходит разрушение природных экологических систем и экологической ниши самого человека. Таким образом, либо человек
обратит свою деятельность на сохранение собственной экологической ниши для настоящего и будущих поколений, либо он как
биологический вид обречен на исчезновение.
Природно неоправданный рост численности людей ведет к
катастрофическим экологическим последствиям для многих живых организмов, включая человека. Из выше сказанного понятно,
что исходной экологической проблемой человечества является
рост численности. Отсюда следует целая череда производных
проблем, имеющих экологический характер и отказ от их решения приводит к экологическим последствиям. Объединим эти
проблемы понятием «экологические проблемы человечества» и
Численность населения
Голод
Угроза
применения
оружия
массового уничтожения
Загрязнение
окружающей
среды
106
Избыточное
антропогенное потребление
энергии
Сужение биоразнообразия:
сокращение лесов, плодородных земель, невозмущенных
людьми территорий, опустынивание
проиллюстрируем его схемой – см. рис.3.2.
Рис. 3.2. Экологические проблемы человечества
Поясним приведенную схему.
Голод. Согласно ФАО (сельскохозяйственной и продовольственной организации ООН) среднестатистический человек для
нормальной жизни должен получать в сутки в среднем 13 МДж
(3100 ккал) энергии и 100 г белков, в том числе 50% белков животного происхождения. По уровню экономического развития в
мире, выделяют три группы стран: развитые, развивающиеся и
страны третьего мира. Эксперт ФАО И.Клатуманн предлагает
различать четыре группы населения по различию в питании [25]:
- 1 группа – население экономически развитых стран (24%)
явно переедает, потребляя излишне много высококалорийных продуктов животноводства. Откуда инфаркты,
рак и некоторые другие заболевания, называемые болезнями цивилизации;
- 2 группа – население питается удовлетворительно (25%),
при потреблении 10÷12,55 МДж энергии и 40 г животного белка;
- 3 группа – население питается плохо, но достаточно для
выживания (25%), при потреблении 10,5÷12,5 МДж энергии и 10÷25 г животного белка (аборигены Африки,
Океании);
107
- 4 группа населения (26÷30%) – энергоемкость их питания
находится на грани жизни и смерти.
При потреблении ниже 8,4 МДж и менее 10 г животного
белка – зона абсолютного голода; при энергоемкости суточного
питания среднестатистического человека 10,46 МДж и 15 г животного белка – зона ежедневного недоедания. Ныне недоедает
около 1,7 млрд. чел, более чем в 120 странах, в том числе дети
[25].
Голод в мире сегодня носит в большей мере не биологический, а социальный характер. В Африке, Латинской Америке,
Южной и Юго-восточной Азии, в странах третьего мира суточное потребление белков растительного происхождения составляет 50% от экономически развитых стран, а животного происхождения в 10 раз меньше. В то же время 90% прироста населения
приурочено к развивающимся странам и странам третьего мира,
что крайне осложняет их экономическое развитие и обеспечение
продовольствием. Выход из создавшегося положения по современным представлениям – это, прежде всего, повышение образовательного уровня в сельских местностях указанных государств и
оказание гуманитарной помощи.
Угроза применения оружия массового уничтожения. К
оружию массового уничтожения отнесено ядерное, химическое и
биологическое оружие. Исследования ученых ряда стран мира
(России, США, Канады, Англии, Германии и др.) позволили установить, что при ядерной войне, наряду с огромной радиацией,
108
в атмосферу поступит огромное количество аэрозолей, из которых большая часть достигнет стратосферы. Наличие в атмосфере
огромного количества аэрозолей (миллионы тонн), газообразных
примесей приведет к уменьшению притока солнечных лучей к
земной поверхности и к понижению температуры воздуха на всей
планете («Ядерная зима»). Крупный ядерный конфликт, при
суммарной мощности взрывов от 5000 Мт в тротиловом эквиваленте, коренным образом повлияет на климат в виде наступления
темноты («Ядерная ночь»), изменит глобальную циркуляцию
воздуха и т.д. [8]. Следствиями этого будут: прекращение процесса фотосинтеза, вымораживание и уничтожение растительности на огромных территориях, гибель посевов сельскохозяйственных культур и в конечном итоге гибель человеческой цивилизации. К сказанному добавим, масса людей сразу погибнет от
ударной волны, ожогов и смертельной дозы радиации. В работе
[25] высказано мнение, что при взрыве ядерных зарядов до
100÷150 Мт (подводная лодка несет до 200 Мт) «ядерная зима»
продлится несколько месяцев. В условиях современного мира,
помимо обеспечения обороны, необходимо принимать меры против угрозы ядерного шантажа и терроризма. Актуальна и проблема переработки радиоактивных отходов. В связи с отсутствием в России необходимых технических средств переработки радиоактивных отходов с 1960 по 1992 год производился их сброс с
атомных подводных лодок и надводных кораблей в море. В 1992
году в Северные моря сброшено 3066 м3 жидких радиоактивных
109
отходов; в дальневосточные моря – 3580 м3 жидких отходов и
2740 м3 твердых радиоактивных отходов [24]. На многих базах
ВМФ радиоактивные отходы накапливаются прямо на открытых
площадках [24].
Другим видом оружия массового уничтожения является химическое оружие. Россия обладает самым большим в мире арсеналом химического оружия: официально объявлено о 4·104 т боевых отравляющих веществ, из них 3,23·104 т составляют фосфороорганические отравляющие вещества нервно-паралитического,
удушающего действия (зарин, зоман, VX-газ) и 7,7·103 т – «старые» отравляющие вещества (люизит, иприт и ипритнолюизитовые смеси) [24].
Привлекательность производства и применения этого оружия заключается в простоте, дешевизне и высокой эффективности. В отличие от атомного оружия, где разрушаются все материальные ценности, при использовании химического оружия погибают только люди и другие живые организмы.
Во время ирано-иракского конфликта, в конце ХХ столетия,
было применено химическое оружие. Есть документальные фотографии, на которых запечатлены результаты газовых атак: груды трупов с чудовищными следами поражения, мертвые дети в
пыли на дороге – там, где их застало смертельное оружие.
Печальным примером массового терроризма является зариновая атака в токийском метро, в 90-е годы ХХ столетия, где погибло 11 человек и пострадало более 500. Этот акт: «конец све-
110
та», был осуществлен членами секты «Аум Синрике». Потенциальными статистами этого акта едва не стали все жители Японии.
Доступность производства зарина подтверждается тем, что секта
«Аум Синрике» использовала знания и практику старшего лейтенанта японской армии.
В 1993 году разработана «Международная Конвенция о запрещении разработки и применения химического оружия».
Человечество всегда изощренно разрабатывало новые методы массового уничтожения себя, но истинных высот в этом оно
достигло сейчас, разработав биологическое оружие и его новую
разновидность – генетическое оружие, которое создают в наиболее развитых странах, например, в США. Также разработки биологического оружия осуществлялись в Иране, Ираке, Ливии, Сирии, в Северной и Южной Корее, в Тайване, Израиле, Египте,
Китае и других. Базисом биологического оружия являются особые виды бактерий и вирусов, формы мутантные по механизму
действия, а также комплекс средств воздействия на генетический
код человека. В последние годы генетики обнаружили гены, определяющие эмоциональное поведение человека, его интеллектуальные способности и память, программирующие наступление
биологической смерти и склонность к наркотикам и алкоголю.
Призрак биологической войны, который в 90-х годах ХХ столетия проявился в ходе боевых действий в Персидском заливе, упрочил решимость мирового сообщества ужесточить контроль над
111
возможным применением биологического и токсического оружия.
Загрязнение окружающей среды неизбежно сопровождает
технический прогресс при росте численности населения. Мировой общественный продукт в период с 1950 по 1990 год вырос в 5
раз [15], что, несомненно, ухудшило экологическое состояние
биосферы, поскольку при современных технологиях пропорционален и количественный рост загрязнений. Глобальное загрязнение биосферы приводит к увеличению генетического груза в популяции человека, связанному с мутационными эффектами ряда
химических соединений (пестицидов, металлов, органических
соединений и т.п.) и радиации [3]. Иными словами возрастет
число мутаций в популяции человека. Выявление влияния факторов окружающей среды на геном человека – актуальная проблема
экологии человека [3]. Геном – совокупность генов, которые характеризуют данный биологический вид, а не отдельные особи. В
самом общем представлении: набор всех генов, характеризующих данную особь – это генотип. Важно проанализировать пути
возможных деградаций биологического вида Homo Sapiens в целях его сохранения.
К сожалению, почти все процессы горения, или воспламенения, сопровождаются выделением канцерогенного вещества –
бенз(а)пирена, коптим ли мы мясо, жарим пирожки, курим. Синтез его происходит при перегонке угля, нефти, сланцев, при сгорании топлива в отопительных системах, двигателях внутреннего
112
сгорания автомобилей, при сжигании бытовых отходов и т.д. При
несоблюдении требуемого режима горения бытовых отходов образуется и другое, вызывающее рак вещество – диоксин. Недопустимо сжигание бытового или промышленного мусора (отходов) на дачных участках, на пустырях, в городских скверах и
дворах. Мусор необходимо транспортировать на специализированные предприятия по переработке отходов или полигоны захоронения отходов.
Химические формулы бенз(а)пирена и диоксина.
О
Cl
Cl
О
Cl
Cl
диоксин
бенз(а)пирен
Последствиями загрязнения окружающей среды являются и
такие глобальные эффекты, приводящие подчас к пагубным для
жизни последствиям, как:
- кислотные дожди;
- уменьшение содержания стратосферного озона;
113
- парниковый эффект.
О механизме формирования кислотных дождей мы упоминали ранее, сейчас кратко обсудим их экологические последствия. Кислотность среды количественно оценивают по численным
значениям водородного показателя, рН.
рН = − log10 C H +
(3.1)
где С Н + - концентрация ионов водорода (Н+), измеряемая в
единицах: моль/л.
Для нейтральной среды рН=7 или С Н + =10-7 моль/л.
Если рН<7 – среда кислая, если рН>7 – щелочная.
Кислотные дожди отрицательно воздействуют на почвы, в
частности при снижении рН ниже 5,0 начинается уменьшение их
плодородия, а при рН=3,0, почвы становятся практически бесплодными. Особенно чувствительны к повышению кислотности
обитатели водоемов. В пресноводных озерах, ручьях и прудах рН
воды обычно составляет 6-7, и организмы адаптированы именно
к этому уровню. Когда среда подкислена, яйцеклетки, сперма и
молодь водных обитателей погибают.
В [8] приведена следующая информация: при рН<6,0 гибнут
раки, улитки, моллюски; при рН<5,8 гибнут лосось, форель,
плотва, а также некоторые представители насекомых, фито- и
зоопланктона, при рН<5,7 гибнут сиг и хариус; при рН<5,2 гибнут окунь и щука; а при рН<4,5 гибнут угорь и голец.
Ущерб не ограничивается постепенной (на первом этапе
взрослые особи живы, но не молоди) гибелью водных организ114
мов. Многие пищевые цепи, охватывающие почти всех диких
животных, начинаются в водоемах. Прежде всего, сокращается
популяция птиц, питающихся рыбой или насекомыми, личинки
которых развиваются в водной среде.
Кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Попадая на
листья и хвою деревьев, они нарушают защитный восковой покров, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и
других патогенных организмов. Леса поражают насекомыевредители, болезнетворные микроорганизмы. Во время засух через поврежденные листья испаряется больше воды, что приводит
к истощению растения в целом.
На высотах 20-25 км, в стратосфере, имеет место повышенная концентрация озона (О3), который защищает наземные организмы от губительного жесткого ультрафиолетового излучения
Солнца в полосе от 220 до 290 нм [5]. Озоновый слой появился
вместе с появлением в земной атмосфере кислорода, за счет диссоциации (распада) его молекул на атомарный кислород (О2 → О
+ О). Озона в атмосфере очень мало, всего 4·10-7 об. %. Если собрать весь озон атмосферы в один слой и опустить его на поверхность Земли, то толщина такого слоя, при нормальных условиях (при температуре 0оС и давлении 760 мм рт.ст.), составит
всего лишь 3 мм. Однако это количество озона полностью поглощает, вследствие химических и физических особенностей,
всю энергию ультрафиолетовой радиации солнца, вплоть до 290
115
нм. Кроме того, озон поглощает инфракрасное излучение Земли,
препятствуя ее охлаждению.
Отметим, что в небольших дозах ультрафиолетовое облучение, при длине волны: 280-400 нм; для человека, животных и
растений благоприятно: способствует выработке в организме человека и животных витамина D3 [5], регулирующего процесс
кальциевого обмена. Более энергичное коротковолновое излучение, при длине волны короче 280 нм, оказывает противоположное действие. Резко увеличивается число заболеваний раком кожи, а также поражение сетчатки глаз у людей и некоторых высших животных. Биологи предсказывают резкое увеличение мутаций как фауны, так и флоры, включая сельскохозяйственные
культуры растений и породы домашних животных. Под влиянием этих лучей происходит распад важнейших частей клетки. В
ней формируются вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтез РНК. Особенно сильно отреагируют на излучение с длинной волны менее 280 нм простые организмы (бактерии, планктон), что приведет к плохо пока предсказуемым последствиям для всех представителей биосферы, ведь они являются основанием экологической пирамиды.
Заметные изменения (в частоте заболеваний, вероятности
мутации) должны начаться уже при длительном и глобальном
уменьшении содержания озона даже на несколько процентов
[17]. «Утоньшение» слоя озона даже на 1% может увеличить интенсивность эффективного излучения, приводящего к заболева-
116
ниям раком кожи людей; уменьшение на 1,5-2,5% может вызвать
рост числа таких заболеваний на 10-20% [17].
Механизм «защитной работы» озона можно проиллюстрировать схемой:
О3 + hν = О2 + О
О2 + hν = 2О
О2 + О + М = О3 + М
Где hν – энергия фотона ультрафиолетового излучения, затраченная на разрушение О3 и тем самым поглощенная озоном;
М – любая частица, присутствующая в системе и необходимая
для отвода энергии от образующейся молекулы О3.
Неблагоприятные затраты озона характеризует уравнение:
О3 + А = АО + О2
Где А – агент, получившийся в результате деятельности людей, например: NO (полученный при сгорании топлива); Cl (образующийся при распаде фреонов).
Отразим сказанное в рисунке (рис.3.3.).
Излучение Солнца
УФ-лучи
О2+О3+hνуф→О2+3О защитные затраты О3
О3+А=АО+О2 неблагоприятные затраты О3
атмосфера
20÷50
А
117
Рис. 3.3. Схема затрат стратосферного озона
hνуф – энергия ультрафиолетового излучения, преимущественно с длиной волны менее 280 нм.
В литературе употребляют термин «озоновые дыры», который означает, что в данном месте атмосферы содержание стратосферного озона понижено на 10-50 % и более, по сравнению с
многолетней нормой.
По данным [8] всего в мире производится около 1,3.106 т
озоноразрушающих веществ. Установлено, что выбросы сверхзвуковых самолетов могут привести к разрушению 10 % озонового слоя атмосферы, один запуск космического корабля типа
«Шаттл» приводит к «гашению» около 107 т озона [8], также велика роль в уменьшении стратосферного озона фреонов (хлорфторуглеродов) [9].
В 2000 г исполнилось 15 лет со времени принятия Конвенции по защите озонового слоя от воздействия антропогенных выбросов фреонов. США и Россия осуществляют совместные работы в направлении уменьшения скорости разрушения озона в
стратосфере и его формированию (методы электромагнитного
излучения, электрических разрядов, лазерного излучения) [9].
Парниковый эффект обусловлен наличием в атмосфере таких антропогенных примесей, как диоксид углерода, метан, оксиды азота, озон, фреоны. Они пропускают солнечные лучи, но
препятствуют длинноволновому излучению с земной поверхно-
118
сти. Механизм получения парникового эффекта иллюстрирует
рис.3.4.
Солнечные лучи
(световая энергия)
СО2
СН4
Н2О
NО
NО2
фреоны (хлорфторуглероды)
t↑
t↑
ИК-лучи
ИК-лучи
Рис. 3.4. Парниковый эффект
Пояснения к рис.3.4: Н2О – пары воды; СО2 – диоксид углерода; СН4 – метан; NO – оксид азота (II); NO2 – оксид азота (IV);
ИК – лучи – тепловое длинноволновое инфракрасное излучение
(длина волны: 760-1300 нм); t↑ - повышение температуры.
Увеличение температуры и влажности в замкнутом пространстве парника (теплицы) связано с тем, что прозрачное покрытие (стекло, полиэтилен и др.) пропускает солнечные лучи,
но оно не проницаемо для длинноволновых тепловых излучений
и водяного пара. Аналогичным «изолятором» являются и «парниковые» антропогенные газы, что обусловливает постепенное
потепление климата на Земле.
Солнечные лучи, падающие на Землю трансформируются:
30% их отражается в космическое пространство, остальные 70%
119
поглощаются поверхностью суши и океанов [29]. Поглощенная
энергия солнечного излучения в основном преобразуется в теплоту, направленную обратно в космос в виде инфракрасных лучей. Но атмосфера, содержащая пары воды, диоксид углерода и
другие газы (см. рис.3.4) не пропускает инфракрасные лучи, благодаря чему воздух нагревается. Парниковые газы выполняют
функцию стеклянного покрытия поверхности Земли в парнике.
Естественный парниковый эффект создает прирост средней
температуры Земли на 30оС [29]. Если бы парникового эффекта
не было, то средняя температура Земли, составляющая сейчас
15оС, понизилась бы до -15оС. Земля была бы покрыта льдом. И,
наоборот, увеличение содержания «парниковых» газов приводит
к возрастанию среднегодовой температуры.
В природной среде содержание СО2, основного «парникового» газа, регулируется биоценозами так, что его поступление
равно удалению. В настоящее время люди нарушают это равновесие. В результате сгорания топлива, прежде всего ископаемого, в атмосферу поступают дополнительные порции СО2, ежегодно более 9·109 т [9]. Именно этот процесс рассматривают как
тенденцию, которая может привести к глобальному потеплению
климата.
Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере
привело к тому, что по сравнению с доиндустриальным периодом (концом 19 века) средняя глобальная температура повысилась на 0,6оС, а к 2020 г. – может повыситься еще на 2,2÷2,5оС,
120
при этом на полюсах температура возрастет более, чем на 10оС.
Парниковый эффект имеет как отрицательные так и положительные последствия.
Отрицательные последствия – это повышение уровня Мирового океана. Сейчас оно составляет примерно 25 см за столетие
[9]. При дальнейшем повышении температуры к концу 21 в. уровень океана может повысится до 0,5-2 м. Это приведет к возникновению многих сложных экологических проблем в прибрежной
зоне океана, например, произойдет затопление приморских равнин. К отрицательным последствиям регионального масштаба
можно отнести деградацию «вечной» мерзлоты, которая создает
ряд социально-экономических проблем.
К положительным последствия парникового эффекта можно
отнести активизацию процессов фотосинтеза и, следовательно,
увеличение продуктивности естественных лесных формаций.
Проведенные исследования в ряде стран (в Англии, США, Швеции, Австрии, Германии и др.) по изучению культурных растений в лабораторных условиях при повышенной концентрации
СО2 показали, что происходит увеличение листовой поверхности,
биомассы растений, урожайности. Например, урожайность хлопка, при удвоении концентрации СО2, возрастает на 124%, помидоров и баклажан – на 40%, пшеницы, риса и подсолнечника – на
20% [9].
Несмотря на положительные последствия, парниковый эффект представляет сложную экологическую проблему, так как
121
повышение уровня океана может отрицательно сказаться на жизни населения более 30 стран мира. В целях рационализации природопользования и сдерживания климатических изменений, в
г.Киото (Япония, 1997 г.) достигнуто международное соглашение
о введении квот на выбросы СО2 при осуществлении хозяйственной деятельности.
Хозяйственная деятельность человека обусловливает самые
разнообразные типы загрязнений, которые, согласно [9] можно
подразделить на три основных: биологическое, химическое, физическое. Учитывая сведения [24], добавим информационное загрязнение и приведем классификационную схему загрязнений
(рис.3.5). Представленная схема условна и не претендует на универсальность, например в [29] приведена более обширная и подробная классификация загрязнений экологических систем, но и
она не универсальна.
122
Загрязнение
Биологическое
биотическое
(биогенное)
микробиологичоское
от генной
инженерии
Химическое
Физическое
аэрозоли
тепловое
химические
соединения
шумовое
Информационное
радиоактивное
тяжелые
металлы
электромагнитное
пестициды
световое
пластмассы
другие
Рис. 3.5. Основные типы загрязнений окружающей среды
Биологическое загрязнение – это привнесение в экологические системы чуждых им растений, животных и микроорганизмов. Оно часто оказывает негативное влияние при массовом размножении пришлых видов (колорадский жук в Европе). В ряде
случаев новые виды оказываются более конкурентоспособными
и начинают вытеснять местные: американская норка – европейскую, ондатра – выхухоль и др. На территории России произрастает более 100 видов сорных растений, занесенных из других
стран, в частности амброзия полыннолистная, пыльца которой
является сильным аллергеном. В населенных пунктах наличие
123
свалок, несвоевременная уборка бытовых отходов приводят к
резкому увеличению санитарных животных: крыс, ворон, насекомых и пр. Значительный вклад в биологическое загрязнение
среды вносят предприятия промышленного биосинтеза, производящие антибиотики, вакцины, сыворотки, ферменты и т.п., в выбросах которых присутствуют живые клетки микроорганизмов.
Глобальные экологические проблемы, связанные с химическим загрязнением, обсуждены выше (кислотные дожди, истощение стратосферного озона, парниковый эффект). Множество
ярких примеров экологических последствий химического типа
загрязнений приведено в литературе (см. например [24,25]), в
частности, в учебной литературе по дисциплине «Охрана труда».
В настоящее время в природной среде находится около 7-8 млн.
химических вещств антропогенного происхождения, причем их
арсенал ежегодно пополняют еще 250 тыс. новых соединений.
Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Экспертами ЮНЕСКО составлен список
200 наиболее опасных для жизни веществ. В него включены: бензол,
асбест,
пестициды
(ДДТ,
элдрин,
линдан
и
др.),
бенз(а)пирен, тяжелые металлы: ртуть, кадмий, свинец и другие
разнообразные красители и пищевые добавки.
Физическое и информационное загрязнения близки по
природе распространения. По воздействию на живой организм
информационное загрязнение близко к биологическому. В на-
124
стоящее время в США созданы и приняты на вооружение 3 вида
систем информационного оружия (ИНФОР и РЭП) [24]:
1)
ИНФОР-1 – нарушает и парализует информационные
системы и сети, обеспечивающие функционирование органов
управления государственных и военных объектов, промышленности, транспорта, связи, энергетики, банков и других учреждений; к этому классу ИНФОР относятся «компьютерные вирусы»,
логические бомбы и другие.
2)
ИНФОР-2 – оказывает психологическое воздействие:
влияет на психику людей в направлении управления ими; есть
сведения о «вирусе-666», который обладает способностью губительно воздействовать на психо-физиологическое состояние оператора ЭВМ. Этот вирус-убийца выдает на экран особую цветовую композицию, погружающую человека в некоторый гипнотический транс, вызывающий у него такое подсознательное восприятие, которое резко изменяет функционирование сердечнососудистой системы, вплоть до блокировки сосудов головного
мозга. Разработано новое научное направление – компьютерной
психотехнологии, позволяющей направленно воздействовать на
группу людей, а с помощью психокоррекции и на массы людей
[24].
3)
Радиоэлектронное подавление (РЭП) – осуществляется
автоматически наземными, корабельными и авиационными системами поставки помех.
125
Физическое загрязнение связано с изменением физических,
температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды (см. рис.3.5). Оно включает: тепловое,
шумовое, электромагнитное, радиоактивное, световое загрязнения. В последнее время обращают особое внимание на электромагнитное загрязнение, связанное с высоковольтными линиями
электропередач, функционированием электроподстанций, радиои телепередающих станций, а также с использованием микроволновых печей, компьютеров, радиотелескопов. Исследования американских и скандинавских ученых показали, что при пользовании видеотерминалами, создающими сильные магнитные поля (в
диапазоне низких частот), у женщин возросло число выкидышей,
отмечено ухудшение остроты зрения и развитие катаракты у операторов персональных компьютеров. Установлено, что электромагнитные поля, создаваемые линиями высоковольтных передач,
электротранспортом, способствуют возникновению онкологических заболеваний. Поэтому в 1993 году крупнейшие компании
США по производству компьютеров создали фонд по изучению
их влияния на здоровье человека.
Физическое загрязнение в большинстве случаев проявляет
свое негативное воздействие на живые организмы посредством
передачи энергии, но и само по себе антропогенное потребление
энергии и выработка антропогенной энергии имеют всеобщие
экологические последствия.
126
Избыточное антропогенное потребление энергии. Энергия, необходимая людям поступает из окружающей среды по
двум каналам: биотическому и абиотическому; и расходуется на
создание различных видов продукции, обогрев, передвижение и
т.п. При этом абсолютно четко очерчен предельный порог потребления, переход за который приводит к деградации биосферы
и гибели самого человечества.
Человечество, как популяция из крупных организмов может стабильно существовать в биосфере без дополнительных энергозатрат на поддержание замкнутых биогеохимических круговоротов элементов при величине потребления энергии порядка всех других хордовых (позвоночных) организмов
биосферы. При этом, по мнению В.Г. Горшкова [13,14] существующих возобновимых источников энергии (биотический канал)
будет достаточно для обеспечения высокоразвитой индустрии с
замкнутым круговоротом химических элементов. То есть затраты
на охрану окружающей среды будут минимальными. Однако современное антропогенное потребление продуктов биосферы в
десятки раз больше потребления диких позвоночных и не может
быть стационарно обеспечено энергетикой биосферы. Необходимо либо снижение численности народонаселения, либо людям
потребуется сконструировать аналог современной биосферы с
мощностью в десятки раз большей (порядка 1015 Вт), чем потребляемая людьми мощность сегодня (около 2·1013 Вт). Энергпотребление в таких масштабах даже при наличии неограниченных
127
запасов невозобновимых источников энергии (типа термоядерной энергии) или за счет перераспределения солнечной энергии
нарушает стабильность климата Земли [14].
При отказе от замкнутых круговоротов элементов за счет
использования
концентрированных
ископаемых
источников
можно игнорировать законы распределения и потребления в биосфере. В этом случае для временного поддержания существующей величины антропогенного потребления продукции биосферы необходимо дополнительное энергопотребление на 2 порядка
меньше, чем в предыдущем случае, а именно порядка 1013 Вт (современное потребление), или в 4-6 раз больше [14]. Но время существования общества с такой величиной антропогенного потребления продукции биосферы определяется продолжительностью истощения источников невозобновимых ресурсов.
Таким образом, возможность устойчивого существования
общества людей в глобальном масштабе определяется величиной
антропогенного потребления энергии основанного на использовании возобновимых, относительно возобновимых и неисчерпаемых ресурсов, и согласно [13] ее значение составляет порядка
1012 Вт. Эта величина установлена на базе анализа функционирования естественных экосистем, не нарушенных антропогенным
воздействием. О допустимых пределах потребления чистой первичной продукции растений представителями разных групп живых организмов сказано в п.2.1; при этом потребление пищи, выражаемое в единицах массы всегда можно заменить эквивалент-
128
ными энергетическими величинами. При организации хозяйственной деятельности (деятельности направленной на потребление) необходимо исходить из правила 10 процентов, основанного на представлениях об экологических пирамидах: среднемаксимальный переход с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой 10% (от 7 до 17%) энергии (или вещества в энергетическом выражении), как правило, не ведет
к неблагоприятным для экосистемы (и теряющего энергию
трофического уровня) последствиям [31].
Поскольку вполне достоверно определена допустимая величина глобального антропогенного потребления (потока) энергии
~1012 Вт, необходимо на международном уровне определить ее
распределение между государствами, в противном случае человечество ожидает судьба вымерших биологических видов.
Антропогенный поток потребления энергии характеризует и
расход природных ресурсов и степень загрязнения окружающей
природной среды. Развитие общества и увеличение численности
людей неизбежно ведут к росту энергопотребления.
Сужение биоразнообразия: сокращение лесов, плодородных земель, невозмущенных людьми территорий, опустынивание. Биоразнообразие обеспечивает устойчивость биосферы в
целом, поскольку оно обеспечивает большее число связей в экологических системах. Изучение биоразнообразия включает документирование его структуры, состава, глобального распределения и анализ всей иерархии биосистем от молекул до биосферы;
129
разработку на этой основе рациональных мер по защите биоразнообразия на локальном, региональном и глобальном уровне с
непременным учетом уникальности каждой формы жизни на
Земле. В настоящее время на нашей планете существует более
1,5 млн. видов животных и около 500 тыс. видов растений [9].
Следует помнить, что каждый вид занимает свою собственную
экологическую нишу, отвоеванную у других в ходе конкурентной борьбы. Такая специализация организмов позволяет им, с
одной стороны, наиболее полно использовать все пригодное для
жизни пространство и источники пищи, а с другой – «обслуживать» друг друга, функционировать на благо всего сообщества,
даже если речь идет о хищниках и жертвах. В случае исчезновения вида по каким-либо причинам его экологическую нишу рано
или поздно занимает другой вид, способный выполнять те же
функции в сообществе, что и исчезнувший вид, т.е. происходит
экологическое дублирование. Такого рода распределение видов
настолько закономерно, что, зная параметры какой-либо ниши,
оказавшейся свободной, можно описать вид, который должен ее
занять. Например, важнейшие характеристики вируса СПИДа
(синдрома приобретенного иммунодефицита) были предсказаны
почти за 10 лет до его широкого распространения в связи с освобождением экологических ниш, ранее занимаемых побежденными человеком инфекционными болезнями [18].
В литературе по экологии приводится множество сведений
об истощении, подчас катастрофическом, соответствующих при-
130
родных ресурсов. Подобная информация приведена, например, в
работах [26,32]. Для человека эти проблемы оскудения природных ресурсов, прежде всего, связаны с сокращением перспектив
развития пищевой базы, неизбежностью голода. В настоящее
время происходит сужение генетической базы развития сельскохозяйственных культур и пород скота, что приводит к снижению
их продуктивности, делает их все более уязвимыми к болезням,
воздействию сорняков, химизации и т.п. Многие из традиционных культур и пород вырождаются; при этом возможности для
создания новых продуктивных видов подчас отсутствуют. Трагический итог природопользования развивающихся стран – исчезновение традиционных видов флоры и фауны, которые обеспечивали региональное биоразнообразие. Но это и глобальная экологическая проблема. В настоящее время во влажных тропических лесах Азии, Африки и Латинской Америки находится до
40% всех видов растений и животных, обитающих на планете. С
1960 г. треть прироста сельскохозяйственной продукции в европейских странах обеспечивалась новыми видами и сортами, созданными на основе селекции генетического материала из тропических регионов [19]. Около 70% генофонда размещено в развивающихся странах, не имеющих возможностей для его сохранения и развития.
В научной литературе высказано мнение, что многие «дикие» виды могут выжить только при условии изъятия из хозяйственной деятельности не менее 30% обитаемой поверхности суши,
131
на что современное человечество пойти не в состоянии. Таким
образом в ХХI веке неизбежно дальнейшее вымирание многих
представителей биологических видов.
Тропические леса, покрывая сегодня до 40% площадей экваториальных стран, являются одной из самых продуктивных
систем (биомасса достигает 104 ÷ 1,7·104 ц/га, при годовом приросте до 500 ц/га), являются основными поставщиками кислорода в атмосферу. Но они наименее устойчивы к различного рода
антропогенным воздействиям. Важнейшей причиной истощения
тропических лесов является традиционная для этих мест подсечно-огневая система земледелия, экспорт древесины, использование ее в качестве топлива (см. пример в п.2.2). Попытки восстановления традиционных лесных тропических экосистем пока не
дают обнадеживающих результатов. Принято, что для поддержания экологической стабильности природных систем необходимо,
чтобы примерно 33% территории было занято лесом [19,26].
По оценкам экспертов страны «юга» ежегодно теряют около
6·106 га плодородных земель, еще около 30·106 га земель находятся под угрозой опустынивания [19]. Таков результат несбалансированного применения химических удобрений, избыточного механического воздействия на почву и др. Экосистемы тропической зоны неустойчивы и подвергаются деградации ускоренными темпами и в значительных масштабах. Эрозия почвы в развивающихся странах, например, превышает соответствующие
показатели для развитых стран примерно в 2 раза. Образование
132
Сахары, как показывают современные исследования, началось
примерно с конца 4 в. до н.э., в связи с распашкой земель. За последние десятилетия южная граница Сахары продвинулась в сторону экватора на 200 км, ее площадь увеличилась примерно на
65·106 га [26]. Около 10% населения Африки проживает в районах, находящихся под реальной угрозой опустынивания.
При непрерывных нарушениях замкнутости биотических
круговоротов в агроценозах, где разомкнутость составляет десятки процентов против сотых долей нормы, возврат в устойчивое
сбалансированное состояние должен длиться многие сотни лет
[13]. Отсюда понятна роль невозмущенных человеком территорий (национальных парков) для обеспечения стабильности биотических процессов в биосфере в целом. На таких территориях
необходимо прекратить антропогенные энерговложения (хозяйственную деятельность), ликвидировать все дороги с использованием механической тяги, запретить передвижение моторного
транспорта по рекам и озерам. Допустимо посещение этих территорий людьми с целями рекреаций (отдыха и восстановления
жизненных сил), но только на базе средств передвижения с использованием мускульной силы [13]. Сегодня человечеством освоено 60% площади суши. При снижении площадей, охваченных
антропогенной деятельностью, до 40% (в 1,5 раза), даже при сохранении современной скорости сжигания ископаемого топлива,
глобальное изменение круговоротов углерода и накопление диоксида углерода (СО2) в атмосфере может быть остановлено [13].
133
Таков пример роли невозмущенных территорий для стабилизации биосферы.
Из сказанного понятно, что возможности земледелия не
бесконечны. К тому же Земля – конечное физическое тело и численность людей лимитируется, прежде всего, площадью пашни.
По некоторым данным (см.[29]) проблема голода отсутствует,
если на одного человека в год с 1 га собирают 1 т зерна. Пятимиллиардному населению планеты требуется 5 млрд. т. Сегодня
ежегодный сбор составляет 1,5 млрд. т зерна. На одного человека
в мире сегодня приходится всего 0,28 га пахотных земель и производительность их в целом низкая. Земля уже сегодня не в состоянии прокормить всех своих жителей.
Согласно В.Г. Горшкову [14] полное потребление одного
человека составляет 134 Вт пищи (134 Вт соответствуют 2800
ккал/сутки нормального потребления пищи одним человеком
массой 67 кг). Приведенные энергетические величины соответствуют 280 кг зерна. При сбалансированном оптимальном питании
растительной и животной пищей это соответствует производству
500 кг/год зерна на одного человека. Из этого количества половину съедает человек, а вторая половина идет на корм скоту, что
дает 35 кг/год калорийно эквивалентных зерну животных продуктов. На основании оценок В.Г. Горшкова можно определить
потребности современного человечества в зерне: 6·109 (число
людей) х 0,5 т/год (потребность одного человека) = 3 млрд. т зерна в год, без учета потерь. В 1989 г. под продовольственные зер-
134
новые культуры в мире было отведено 720 млн. га с которых получено 1,8 млрд. т зерна со средней урожайностью 25,6 ц/га [32].
На основании данных работы [29] можно ориентировочно
рассчитать предельно допустимую численность людей на Земле.
В соответствии с представлениями об экологических пирамидах,
человечество, занимая верхние трофические уровни, может образовать биомассу существенно меньшую, чем биомасса живого
вещества биосферы в целом. Биосфера сохранит устойчивость,
если на душу населения будет приходиться 250 т живого вещества [7]. Суммарная биомасса живых организмов Земли (континентов и океанов) составляет 2,42·1012 т [8]. В результате деления
получим, что в биосфере, не нарушая ее устойчивости, может
существовать 9,7 млрд. человек. Но будем объективными, расчет
очень условен. Проанализируйте другие данные нашей работы.
По расчетам ФАО (сельскохозяйственной и продовольственной организации ООН) для полного удовлетворения одного
человека в питании необходимое количество зерна составляет
0,82 т/год·чел. Понятно, что сегодня объективно часть населения
обречена на голод, о чем свидетельствуют несколько разноречивые данные приведенных выше источников.
Для улучшения обстановки, необходима селекционная работа на основе имеющегося генофонда, чему способствует сохранение биоразнообразия.
Ниже подробнее обсудим наиболее универсальные количественные показатели антропогенных возмущений биосферы и
135
эколого-экономические показатели рациональности природопользования.
3.3. Экологические и эколого-экономические показатели
рациональности природопользования
Экологические показатели рациональности природопользования находят сопоставлением закономерностей функционирования природных экосистем и природно-техногенных систем. Закономерности перехода природных экосистем в природнотехногенные системы отражены в работе [27]. Согласно [27]
природно-техногенная система – это совокупность взаимодействующих технических сооружений и природной среды. В указанной работе приведены математические корреляции, описывающие различные состояния (вероятности состояний) в преобразованных человеком экосистемах при различных видах его
производственной деятельности. При решении экологических
проблем прикладного характера целесообразно использовать рекомендации [27]. Однако мы остановимся на более общих вопросах, связанных с глобальным природопользованием, во избежание вуалирования роли истинно экологического аспекта при организации рационального природопользования.
Универсальной характеристикой различных видов деятельности являются затраты энергии. В этом случае количественные
характеристики разных явлений приводят в одних и тех же еди-
136
ницах: Джоулях (Дж) или в Ваттах (1 Вт=1 Дж/с) – в случае непрерывного потока энергии. Понятие энергии связывает воедино
все явления природы, природопользовательской деятельности
человека, поскольку энергия – это общая количественная мера
движения и взаимодействия всех видов материи.
Количественно антропогенные возмущения оценивают как
по величине показателя разомкнутости биологических круговоротов (К), так и величиной вложений энергии (энерговложений). Наиболее широко распространены такие показатели, как:
«техноэнергетическое давление на территорию» [30], «вложение
энергии в земледелие (животноводство)» [31].
Техногенные процессы, приводящие к преобразованию геолого-географического пространства Земли, можно подразделить
на три группы [30]: ресурсодобыча и переработка, выработка и
потребление энергии, запуск ракет и ядерные взрывы.
Значительная доля энергетических затрат человечества приходится на перемещение и преобразование вещества планеты. По
оценкам 1985 года, ежегодно перемещается нефти и природного
газа – около 4·109 т; углей – 2·109 т; горной породы – 20·109 т;
строительная индустрия увеличивает скорость эрозии в 200-500
раз [30]. Извлечение для различных нужд подземных вод происходит значительно быстрее, чем их естественное восстановление.
Изъятие из литосферы и закачка в нее растворимых веществ в 2-3
раза превышает подземный химический сток в зоне интенсивного
водообмена. Суммарные отходы городов мира (примерно 3·109 т
137
твердых; 5·108 м3 жидких и 109 т аэрозолей в год) превышают
выбросы вулканов (за последние 400 лет 578 активных вулканов
ежегодно продуцируют в сумме около 2,5·109 лавы, пепла, газов
и паров). Добыча и переработка ресурсов сказывается на физикохимическом состоянии геосферы и структуре геофизических полей – электрического, магнитного, гравитационного.
Выработка электроэнергии к 1990 г. достигла около 3,2·1011
Вт, оказывая огромное влияние на электромагнитное поле Земли
[30]. Передача электроэнергии и электропотребление изменили
характер электромагнитных бурь и магнитосферных возмущений, около 30% которых связывают с функционированием линий
электропередачи (ЛЭП). Воздействие на геофизические поля технических средств производства электромагнитной энергии может
вызвать региональные и глобальные перестройки литосферноионосферных связей. Все это приводит к появлению новообразований в лито-, гидро- и атмосфере и в происходящих в них
процессах; что нарушает устоявшееся динамическое равновесие
и влияет на устойчивость экологических систем.
Естественным результатом человеческой деятельности является производственно-преобразованная среда обитания, сформированная в результате многократного пропускания через промышленные процессы вещества лито-, гидро- и атмосфер и частичная замена естественных циклов техногеохимическими. Одна
из главных причин нарушения устойчивости природных экосистем – несоответствие скорости естественных и антропогенно-
138
стимулированных массоэнергопотоков. Это обусловливается искусственным созданием разнообразных контрастов, градиентов и
потенциалов – источников перетоков вещества, энергии и информации; нарушающих эволюционно установившийся обмен в
природных экологических системах. Природные экосистемы
Земли интенсивно заменяются природно-техногенными. Изменение состава, свойств и энергетики биосферы может привести к
двум альтернативным результатам: 1) катастрофическому ее разрушению и 2) к эволюционному преобразованию в новое качество, устойчивое в изменившихся условиях. Это необходимо учитывать при оценке устойчивости отдельных экосистем и при прогнозах катастрофических явлений. Одним из критериев таких
оценок служит техноэнергетическое давление на территорию,
которое измеряют в Дж/км2·с или Вт/км2. Согласно [30] в России
наиболее нагруженными территориями являются: центр европейской части, среднее поволжье (нагрузка более 8·104 Вт/км2); наименее нагружены промышленные районы Южного Урала и юга
Западной Сибири (здесь нагрузка менее 8·102 Вт/км2). Критические (предельные) значения данного показателя сегодня не определены.
Пороговая величина вложения энергии в земледелие найдена и согласно [31] составляет для средних географических широт
15·109 Дж/га·год (15·1011 Дж/км2·год). При превышении затрат
энергии этой величины начинаются вредные для среды последствия: эвтрофикация водоемов, усиленный смыв химических со-
139
единений в реки, интенсивная эрозия и т.п. Поясним, вложение
энергии в земледелие – это дополнительное привнесение энергии на единицу обрабатываемой или иным образом эксплуатируемой (выпас, сенокос и т.п.) территории путем тягловых усилий (распашка, боронование, дискование и т.д.), внесения органических и минеральных удобрений, применения ядохимикатов,
управления потоками пасущихся животных, сбора урожая и других агротехнических и агрохимических мероприятий. Затраты
энергии в высокоинтенсивном земледелии развитых стран составляют (15-20)·109 Дж/га·год, что превышает допустимый предел. Интересно, что средний приход энергии от Солнца в умеренных широтах равен (48-61)·1012 Дж/га·год и величина 15·109
Дж/га·год относительно мала.
На основании численного значения предельного вложения
энергии в земледелие в умеренных широтах (15·109 Дж/га·год) и
найденного при этом значения разомкнутости круговоротов биогенов – порядка нескольких десятков процентов [13] (зададимся
величиной 40%),при фоновом уровне разомкнутости в сотые доли процента [13], можно определить, что привнесение антропогенной
энергии
в
природную
экосистему
до
(15·109·0,01):40=3,8·106 Дж/га·год, не нарушает ее немедленной
саморегуляции, т.е. система является по сути невозмущенной
деятельностью людей. Такой порядок антропогенных вложений
допустим для национальных парков в средних географических
широтах. Однако из изложенного в п.3.2. следует, что величина
140
15·109 Дж/га·год недопустимо велика для тропических районов.
Критический барьер здесь значительно ниже. Аналогично для северных, полярных районов. Ю.Н. Голубчиков отмечает [12]:
«Трудности полярного земледелия коренятся в применении на
малоустойчивых северных почвах структуроразрушающей мощной техники. Раньше земледельцы шли пахать, лишь только чуть
оттаивали и обсыхали поля. Главным было уловить длинный полярный майско-июньский день, богатый всем спектром солнечных лучей в сочетании с биоэнергетически активизирующей растения талой водой. Пахали поверхностно – соха не поднимает
пласт глубже 12 см. Ниже идет подзолистый горизонт и, если вывернуть его на поверхность – можно получить пустые закрома.
Теперь же ждут, пока смогут пройти трактора, а сеять начинают
еще позже… В результате поле становится подобием дороги: в
сухую погоду – сплошная пыль, … во влажную – грязь. Вот и не
успевает вызревать урожай.» По мнению Ю.Н. Голубчикова перевод народов Крайнего Севера на оседлый образ жизни и создание стационарных поселений подрывает кормовую базу оленеводства и обусловливает здесь нерациональное природопользование. При этом по биосферной значимости стада российских
оленей ни в чем не уступают известным популяциям крупных
травоядных национальных парков Африки. В связи с переводом
северных кочевников на оседлость вместо небольших колхозов,
дававших неплохую прибыль, появились крупные убыточные поселки. Интенсивный выпас в их окрестностях подорвал кормо-
141
вую базу оленеводства. Численность оленьего стада неуклонно
сокращается, а себестоимость мяса – растет.
Рассматривая природопользование в историческом аспекте,
следует отметить неизбежность роста энергозатрат, который отражен в законе падения природно-ресурсного потенциала: в
рамках одной общественно-экономической формации (способа
производства) и одного типа технологий природные ресурсы
делаются все менее доступными и требуют увеличения затрат труда и энергии на их извлечение и транспортировку
[31].
Примерами сказанного может служить минеральное сырье,
истощающееся в густо населенных и комфортных областях планеты, добываемое из все более глубоких пластов; сельскохозяйственное производство; гидрогеологическое хозяйство, страдающее от все более глубокого залегания (истощения) подземных
вод и т.д.
Также сформулирован закон снижения энергетической
эффективности природопользования: с ходом исторического
времени при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше
энергии[31].
Увеличиваются и энергетические расходы на одного человека. Расход энергии на одного человека (в МДж/сут) в каменном
веке был 16, в аграрном обществе порядка ~49; в индустриальном ~280, а в передовых развитых странах настоящего времени
142
~103 МДж/сут, т.е. примерно в 63 раза больше, чем у наших далеких предков [31]. В среднем общее энергопотребление одного
человека на рубеже ХХ-ХХI в.в. составила 2,5·103 Дж/с или 2,5
кВт, включая энергию потребленной пищи, затраты на хозяйственные и социальные нужды. С начала ХХ в. количество энергии,
затрачиваемое на 1 единицу сельскохозяйственной продукции в
развитых странах мира возросло в 8-10 раз; на 1 единицу промышленной продукции – в 10-12 раз. Общая энергетическая эффективность сельскохозяйственного производства (соотношение
вкладываемой и получаемой с готовой продукцией энергией) в
промышленно развитых странах примерно в 30 раз ниже, чем при
примитивном земледелии. Энергопотребление в сельском хозяйстве США с 1950 до 1970 г. увеличилось в 6 раз. В Испании за
период с 1950 до 1978 г. потребление энергоресурсов в сельском
хозяйстве возросло в 29 раз, а на 1 затраченную килокалорию в
земледельческом секторе вместо 6,1 ккал (в 1950 г.), получили
всего 0,7 ккал (в 1978 г.) полезной продукции, т.е. почти в 9 раз
меньше [31].
Падение энергетической эффективности сельскохозяйственного производства объясняется заменой природного плодородия почв их искусственным плодородием (внесением удобрений)
и необходимостью дополнительного эффекта для повышения
урожая, что требует дополнительного вложения энергии. В ряде
случаев увеличение затрат энергии на удобрение и обработку полей в десятки раз приводит к повышению урожайности лишь на
143
10-15%. Необходимо, параллельно с улучшением агротехники,
учитывать общую экологическую обстановку, налагаемые ею ограничения. При индустриальном сельском хозяйстве: закрытом
грунте, выращивании бройлеров и т.п. – энергетическая эффективность колеблется в пределах от 1:0,14 (производство яиц) до
1:0,0033 (салат из теплиц). Следует ожидать, что сближение
энергетических показателей открытого и закрытого грунта приведет к полному вытеснению первого вторым, т.к. закрытый
грунт более рентабелен экономически: меньше потери воды и
других ресурсов, а экологически он позволяет организовать условно-замкнутое сельскохозяйственное производство. Последнее
ведет к снижению загрязнения окружающей природной среды и
увеличению числа невозмущенных хозяйственной деятельностью
территорий.
Важным показателем эффективности функционирования
природно-продуктивной системы является природоемкость (е)
[11]. Этот показатель хорошо характеризует тип и уровень эколого-экономического развития. Величина природоемкости зависит
от эффективности использования природных ресурсов во всей
цепи, от исходных природных ресурсов, первичной продукции
(полученной на их основе) до конечной стадии технологических
процессов, связанной с преобразованием природного вещества.
Различают два уровня показателей природоемкости [11]:
- макроуровень, уровень всей экономики;
- продуктовый, отраслевой уровень.
144
На макроуровне это показатели, отражающие макроэкономические показатели: затраты природных ресурсов или одного
ресурса (N) на единицу валового внутреннего продукта (ВВП);
валового национального продукта (ВНП) и т.п. Измерение этих
показателей может производиться как в стоимостной форме
(руб./руб.), так и в натурально-стоимостной (т/руб. и т.д.). Например, на макроуровне показатель природоемкости валового
внутреннего продукта (ВВП) можно охарактеризовать соотношением:
N
е =
ВВП
(3.2)
Наиболее обобщенный показатель природоемкости представляет собой отношение стоимостной оценки всех используемых в сферах производства и потребления природных ресурсов к макроэкономическому показателю (ВВП или другому). В
качестве временного интервала можно выбрать год (для стабильных производств) или более продолжительные периоды времени
(например, 5 лет для сглаживания годовых разбросов в урожайности в аграрном секторе). Отметим, нигде в мире нет адекватной стоимостной оценки природных ресурсов. Общим для условий централизованно планируемой системы, и для рынка является недооценка природных ресурсов, занижение их цены. Таким
образом, показатель природоемкости на макроуровне всегда заведомо занижен.
145
В качестве частных показателей природоемкости на макроуровне для ВВП, национального дохода и пр. можно рассматривать показатели энергоемкости, металлоемкости, материалоемкости и т.д. В аграрном секторе это может быть количество сельскохозяйственных угодий, необходимых для производства 1 рубля сельскохозяйственной продукции.
Уровень продуктивный или отраслевой природоемкости
определяется затратами природного ресурса (N) в расчете на
единицу конечной продукции (V), произведенный на основе этого ресурса (например, количество земли, требуемой для производства 1 т зерна; количество леса, требуемого для производства
1 т бумаги).
N
е =
V
(3.3)
Фактически это оценка эффективности функционирования
природно-ресурсной вертикали, соединяющей первичный ресурс
с конечной продукцией. Чем меньше здесь показатель природоемкости, тем эффективнее процесс преобразования природного
вещества в продукцию, меньше отходы и загрязнения.
Основные достоинства показателя природоемкости проявляются при его измерении в динамике или при сравнении с другими странами, экономическими структурами, технологиями и
пр.
Из всего изложенного выше следует, что наиболее важным с
экологических позиций является анализ затрат энергии при про146
изводстве различных видов продукции. В начале 80-х годов ХХ
столетия удельные затраты энергии на производство единицы
ВНП в ходе решительных мер по экономии энергии в промышленно развитых странах сократились на 15%. В период с 1980 по
1990 г. ВНП в развитых странах вырос на 20%, а потребление
энергии – лишь на 2% (результат устранения неоправданных потерь энергии). Однако, в это же время в развивающихся странах
расход энергии возрос на 24% и составил 10% от общемирового
(против 5% в начале периода), т.е. имел тенденцию к быстрому
росту. Несмотря на ожидаемое снижение потребления энергии (в
кг условного топлива) на 1 денежную единицу ВНП, общее увеличение ВНП и абсолютно необходимое возрастание валового
национального дохода в развивающихся странах приведут к
дальнейшему росту абсолютного энергопотребления, а падение
природно-ресурсоного потенциала – к росту энергетических затрат. Таким образом рост антропогенных возмущений в биосфере
неизбежен. И тем актуальнее задача снижения численности народонаселения.
В таблице 3.3. приведен сравнительный анализ эффективности использования энергетических ресурсов в различных странах
в конце 90-х годов ХХ столетия [11].
Таблица 3.3
Эффективность использования энергетических ресурсов [11]
Страна
Энергоемкость ВНП
(МДж/млрд. долл.
ВНП)
147
Россия
страна
Япония
Германия
Великобритания
Южная Корея
США
Бразилия
Индия
Россия
5,5
8,1
10,0
14,8
15,2
18,8
38,0
60,1
10,9
6,8
6,0
4,1
4,0
3,2
1,6
1,0
Из данных табл.3.3. следует, что энергоемкость на единицу
конечной продукции в России неоправданно велика, несмотря на
то, что наша страна расположена в северных широтах, разрыв в
показателях колоссален.
Характерна для российской экономики картина расходования древесных ресурсов на производство бумаги и картона. Показатель природоемкости здесь равен частному от деления количества выведенной древесины (м3) на массу произведенных бумаги и картона (т).
Таблица 3.4
Количество вывезенной древесины (м3) в расчете на 1 т произведенных бумаги и картона [11]
Природоемкость, м3/т
32
7
5
6
Страна
Россия
США
Финляндия
Швеция
148
Из данных, представленных в табл.3.4 следует, что по затратам ресурсов на производство 1 т бумаги и картона Россия
превосходит развитые страны в 4-6 раз, т.е. для выпуска единицы
бумажной продукции и картона необходимо срубить и вывести в
несколько раз больше леса, чем это требуют современные технологии.
Таким образом, отечественная экономика чрезвычайно природоемка и требует значительно большего удельного расхода
природных ресурсов на производство продукции по сравнению с
уже имеющимися экономическими структурами других стран и
современными технологиями.
Для аграрного сектора отставание обслуживающих сельское
хозяйство отраслей и видов деятельности оборачивается двухтрех разовым превышением затрат почвенно-земельных ресурсов
на получение единицы конечной продукции сельскохозяйственного происхождения, что типично опять же для России [11].
В статистике широко распространен показатель, обратный
природоемкости – показатель природной ресурсоотдачи (О) [11]:
V
О =
N
(3.4)
В сельском хозяйстве его аналогом является такой традиционный показатель, как урожайность – производство сельскохозяйственной продукции на единице земельной площади. Но урожайность – не полный показатель природной ресурсоотдачи. Это
промежуточный показатель в природно-продуктивной цепочке.
149
Он является частичным, суженым показателем ресурсоотдачи.
Например, урожайность зерновых в России составляет около 15
ц/га. На потери и нерациональное использование зерна приходится 20-25%, и по конечным результатам реальный выход зерна
равен примерно 11-12 ц/га. Это значит, что землеемкость потребления возрастает с 670 м2 посевной площади, необходимой для
производства 1 ц зерна полезно употребленного до 800-900 м2.
Аналогично показатели природоемкости и природной ресурсоотдачи могут определяться на микроуровне – уровне предприятий, объединений, фирм, концернов и т.д.
Важной задачей экологизации экономики является минимизация природоемкости: е→min.
Снижение показателя природоемкости на макроуровне свидетельствует о вероятном переходе от сформировавшегося техногенного типа экономического развития к экологически гармоничному, устойчивому типу развития.
Вопросы для самостоятельных занятий
1. В чем заключена относительность понятий «природный ресурс» и «биологически природный ресурс»?
2. Какие нетрадиционные энергоресурсы Вам известны?
3. Перечислите основные составляющие человека и основные
свойства живого организма.
150
4. Проанализируйте основные экологические проблемы человечества, расположите их в порядке значимости с Вашей точки
зрения, обоснуйте свою позицию.
5. Каковы экологические последствия применения оружия массового уничтожения?
6. Перечислите глобальные эффекты от загрязнения окружающей среды.
7. Почему недопустимо сжигание мусора в произвольно выбранных местах?
8. Укажите причины образования кислотных дождей, опишите
экологические последствия их воздействия на живые организмы.
9. В чем заключена защитная функция озона в стратосфере?
10. Каков механизм формирования «парникового» эффекта?
11. Опишите положительные и отрицательные последствия «парникового» эффекта.
12. Что представляет собой биологическое загрязнение?
13. Каковы экологические последствия информационного и физического загрязнения?
14. Чем ограничено потребление энергии людьми на собственные
нужды, каков выход из энергетической кризисной ситуации?
15. Как связано биоразнообразие с устойчивостью экологических
систем?
16. Какова роль лесов в функционировании биосферы?
151
17. Какова роль невозмущенных человеком территорий в стабилизации биотических процессов в биосфере?
18. Сопоставьте значения показателя разомкнутости биотических
круговоротов для природных экосистем с его значением для
агроценозов.
19. Возможна ли полная замена природных экологических систем
агроценозами?
20. Что понимают под термином «вложение энергии в земледелие»?
21. Приведите примеры проявления закона снижения энергетической эффективности природопользования.
22. Сопоставьте среднестатистические значения необходимой
энергии пищи одного человека и суммарное энергопотребление современного человека, включая обогрев, затраты на одежду и т.п. (единицы измерения – Вт, т.е. Дж/с).
23. Какие параметры и их количественные соотношения следует
учесть при определении оптимальной численности людей на
Земле?
24. В каких единицах измеряют природоемкость?
25. Какая тенденция в изменении природоемкости свидетельствует об экологической рациональности ведения хозяйства?
152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Биолого-экологические исследования позволили установить, что основа существования всех живых организмов Земли,
включая человека, – последовательная передача энергии от
Солнца ко всем звеньям живой материи. При этом на отдельных
участках нашей планеты организуются замкнутые в определенной мере круговороты биогенов. Разомкнутость круговоротов в
природных экологических системах согласно [13] составляет сотые доли процента. Сообразно с организацией круговоротов все
живые организмы выполняют в природных сообществах определенные функции (продуценты, консументы, редуценты). При выпадении отдельных видов из цепи их место занимают новые, благодаря, либо миграции из соседних экосистем, либо образовавшиеся в результате мутации (как произошло в случае вирусов
СПИДа). Отдельные природные сообщества и системы в целом
достаточно устойчивы, благодаря обратным отрицательным связям. При наличии обратных положительных связей экологическая система работает «вразнос», отдельные виды претерпевают
эволюционные изменения (мутируют), в результате образуется
качественно новая экологическая система.
Понятие «природный ресурс» условно и имеет смысл только для относительно небольшого отрезка времени: от нескольких
десятков лет до нескольких тысячелетий. Еще более условно понятие «природный биологический ресурс», поскольку все сооб-
153
щества живых организмов (биоценозы) сформировались вследствие необходимости замкнутости биотических круговоротов веществ и стабилизации условий окружающей среды. Из всех возможных видов, способных существовать в земных условиях, отобраны только те виды, которые могут производить необходимые
действия в рамках своих сообществ по выполнению определенной работы по стабилизации окружающей среды. Сама окружающая среда приготовлена во многом живыми организмами и
поддерживается ими в оптимальном для жизни состоянии. Любой вид продукции живых организмов в биосфере компенсируется ее деструкцией, и оба процесса основаны на переработке материалов создаваемых самими организмами. Из представлений о
биогеохимических круговоротах веществ (биогенов) следует, что
функционирование природных биоценозов не основано на потреблении ресурсов окружающей среды. В естественном сообществе не могут присутствовать виды-разрушители, которые разрушили бы скоррелированность сообщества и лишили бы его
способности регулировать окружающую среду.
Человечество (биологический вид) обладая уникальным
свойством – культурой и ее составной частью: способностью к
организации научно-технического прогресса, распространилось
практически по всей площади суши Земли. Теперь биосферная
оболочка Земли буквально опутана возмущающими антропогенными потоками массы, энергии, информации (вспомним интернет). В результате нарушены естественные круговороты биоге-
154
нов, что может обусловить эволюционную составляющую, направленную против самого человечества. Последнее может обернуться бесплодием, безумием (наркоманией), смертельной пандемией. Цивилизованное человечество именно благодаря культуре имеет корни вида-разрушителя. Но смысл плотской (биологической) жизни человека не может отличаться от смысла жизни
остальных живых существ природы. Учитывая рост численности
популяции людей и то, что их экономическая деятельность перерастает в глобальное разрушение всей биосферы, сегодня актуальна корректировка культуры человечества в целом на основе
данных экологии. Основная работа, выполняемая человеком,
должна быть направлена не на экстенсивное развитие цивилизации, а на сохранение естественных сообществ в невозмущенных
до определенного порога состояниях: К∼0,000А.
Для погашения возмущений (разомкнутости биотических
круговоротов сверх нормы) необходимо наличие на Земле достаточного количества невозмущенных территорий – территорий, не
затронутых хозяйственной деятельностью. Например установлено, что примерно 33% поверхности суши должно быть покрыто
лесом [19, 26]. Сегодня человечеством освоено 60% площади суши. При снижении площадей, охваченных антропогенной деятельностью, до 40%, то есть в 1,5 раза, даже при сохранении современной скорости сжигания ископаемого топлива, глобальное
изменение круговорота углерода и накопление диоксида углерода (СО2) в атмосфере будет остановлено. При указанном сокра155
щении практически все виды тех диких животных, которые объективно обречены сегодня на вымирание, выживут и восстановят
свои популяции. Чтобы возмущения не привели к катастрофическим для людей последствиям, антропогенное потребление энергии в сумме не должно превышать 1012 Вт [13]. Современное
энергопотребление одного человека при питании составляет 134
Вт или 2800 ккал/сутки (при массе человека 67 кг). Суммарная
же доля энергопотребления одного человека, включая хозяйственные нужды, перемещение на транспорте и т.п. в среднем составляет 2,5·103 Вт (2,5·103 Дж/с). В 2000 г. население Земли насчитывало 6 млрд. человек. Отсюда можно сделать вывод о необходимости сокращения численности народонаселения. К сокращению численности приведет утверждение экологической глобальной морали, основным пунктом которой является рождение
в каждой семье не более одного ребенка.
На основании данных о потреблении первичной продукции
в природных экосистемах суши различными группами живых организмов установлено, что люди не должны потреблять более 1%
от общей массы (выраженной в килограммах) различных видов
дикорастущих растений суши, включая древесину, потребляемую
на строительство и отопление жилищ, производство бумаги и
т.п., болотных растений и других.
Человечество само «порождает» экологические факторы,
которые обусловливают негативные мутации. Разум людей мало
156
управляет генетическим кодом человека. Изменения этого кода
во многом определяют условия окружающей среды.
Поскольку поток энергии является основным индикатором
состояния биосферы, в экономико-экологические показатели
следует ввести энергетический компонент, например затраты
энергии при получении продукта. Необходимо установить предельные затраты энергии при производстве конкретных видов
продукции. В агроценозах необходимо контролировать вложения
энергии в земледелие, они не должны превышать в средних географических широтах значения 15·109 Дж/га·год. Земледелие в
полярных и экваториальных регионах не оправдано ни экономически, ни экологически. Учитывая, что в умеренных широтах
максимально допустимая величина вложения энергии в земледелие составляет 5·109 Дж/га·год и то, что при этом разомкнутость
круговоротов биогенов превышает естественный уровень показателя в 4·103 раз, можно ориентировочно предположить: предельная величина антропогенного вложения энергии в заповедные
территории в умеренных широтах составляет 3,8·106 Дж/га·год.
Предметом международных соглашений должны явиться
квоты на потребление и выработку энергии в отдельных регионах, исходя из максимально допустимой величины на данный исторический период. Сегодня антропогенный поток энергии объективно (из-за численности людей) превышает порог устойчивости биосферы, его величина должна быть планомерно и постепенно снижена.
157
Учитывая масштабы антропогенной деятельности, закон падения природно-ресурсного потенциала, объективно отражающей функционирование природно-техногенных систем; нетрудно
понять, что на данном историческом этапе не существует частных экологических проблем природопользования, все они глобальны. Человечество должно научиться говорить на «общем
языке»: языке международных соглашений и исполнения их содержания.
Представляются разумными рекомендации Айерса по формированию основ международного сотрудничества [20]:
1) промышленно развитому миру следует сократить потребление материалов (природных ресурсов) на единицу ВВП
на 90% - т.е. в 10 раз, на протяжении жизни двух поколений;
2) в устойчивой экономике ХХI века должны доминировать
сферы обслуживания;
3) решить демографическую проблему (остановить рост народонаселения), а затем снизить численность людей.
Во исполнение позиции 3, для афро-азиатских стран было
бы важно учесть необходимость:
• серьезной программы по преодолению неграмотности;
• программы контроля за численностью населения (положительный опыт Китая).
Также при выборе стратегии развития для афро-азиатских
стран необходимо сделать ставку на отказ от торговли оружием.
158
В противном случае продавец может стать жертвой эффекта бумеранга, поскольку сегодня нет проблем локальных загрязнений,
они глобальны. Достаточно вспомнить о Чернобыле.
Хотелось бы надеяться, что просвещенные люди всего мира
знают об опыте средневековой Европы, когда в ответ на экологическую кризисную ситуацию (эпидемии, неурожаи), католическая церковь осенью 1095 г. в лице папы Урбана II призвала к
священным походам на Восток. Небезынтересно с экологических
позиций привести некоторые фрагменты его выступления: «Земля, которую вы населяете … сделалась тесной при вашей многочисленности. Богатствами она не обильна и едва дает хлеб тем,
кто ее обрабатывает. Отсюда происходит то, что вы друг друга
кусаете и друг с другом сражаетесь… Теперь же может прекратиться ваша ненависть, смолкнет вражда и задремлет междоусобие. Предпримите путь ко гробу святому, исторгните ту землю у
нечестивого народа и подчините ее себе… Кто здесь горестен и
беден, там будет богат». И свершилось… народы были втянуты в
многолетние, почти двухсотлетние войны; в итоге отрегулировали плотность населения. Сегодня подобное не пройдет, человечество погибнет, а часть прочих живых организмов, частично отмутировав, благополучно создаст новые природные экологические системы в которых не будет ниш для биологического вида
Homo Sapiens.
Завершим
изложенное
Б.Коммонера [29]:
159
четырьмя
напутствиями
1. Все связано во всем (вред, наносимый одному элементу экосистемы, может привести к большим неблагоприятным последствиям в функционировании всей экосистемы).
2. Все должно куда-то деваться (ландшафты Земли, географическая оболочка в целом – в известном смысле замкнутые системы; бытовые и производственные отходы, попадая в окружающую среду, не исчезают бесследно; у природных систем
остается все меньше сил, чтобы справляться с переработкой
веществ, загрязняющих среду обитания людей; вокруг городов
растут свалки мусора, загрязняющие вещества разносятся далеко от мест выброса воздушными и водными потоками).
3. Природа знает лучше (человек, самонадеянно желая «улучшить» природу, нарушает ход естественных процессов; последствия разного рода мелиораций делают среду обитания
людей еще менее благоприятной).
4. За все надо платить (человек не может безвозмездно расходовать природные ресурсы, загрязнять окружающую среду,
преобразовывать природные ландшафты в культурные и т.п.;
все виды взаимодействия человека с природой должны оцениваться экономически, на основании грамотного определения
экологического ущерба).
Будущее человечества зависит от того, какой станет окружающая среда и как будут приспосабливаться к ней люди. Человечество как вид может сохраниться в том случае, если оно сумеет предотвратить отрицательные последствия изменения окру-
160
жающей среды. Второй путь выживания – это адаптация, приспособление к неблагоприятным условиям. Если не произойдет
ни первого, ни второго, согласно биологическим законам человечество обречено на вымирание.
161
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. АЛЕКСЕЕВ С.В., ТЕРЕШЕНКОВ О.М., ЖАВОРОНКОВА
И.А., ШАГИН А.В. Экология Санкт-Петербурга и области:
Учеб. пособие. –Санкт-Петербург, 1995 – 60 с.
2. АНДЕРСОН ДЖ.М. Экология и науки об окружающей среде:
биосфера, экосистемы, человек. –Л.: Гидрометеоиздат, 1985. –
166 с.
3. БЕЛОКОНЬ Л.С., ЯНШИН А.Л. Современное состояние проблемы экологии человека (в рамках Программы биосферных и
экологических исследований АН СССР за 1989 г.) // Известия
ВГО. 1991. Т.123. №2 с.113-121.
4. БИОЛОГИЯ. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред.
М.С. Гиляров. –3-е изд. –М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. –864 с.
5. БОГДАНОВСКИЙ Г.А. Химическая экология: Учеб. пособие.
–М.: Изд-во МГУ, 1994. –237 с.
6. БРОДСКИЙ А.К. Краткий курс общей экологии: Учеб. пособие. –СПб: ДЕАН+АДИА, 1999. –224 с.
7. ВИНОГРАДОВ М.Е., МИХАЙЛОВСКИЙ Г.Е., МОНИН
А.С. Вперед к природе // Вестник РАН. 1994. Т.64, №9 с.58-67.
8. ВРОНСКИЙ В.А. Прикладная экология: Учеб. пособие. –
Ростов н/Д: Феникс, 1996. –512 с.
9. ВРОНСКИЙ В.А. Экология: Словарь-справочник. –Ростов
н/Д: Феникс, 1999. –576 с.
10. ГЕННАДИЕВ А.Н., ГЕРАСИМОВА М.И., ПАЦУКЕВИЧ
З.В. Скорость почвообразования и допустимые нормы эрозии
почв // Вестник МГУ. Сер.5. География. 1987. №3 с.31-36.
11. ГИРУСОВ Э.В. и др. Экология и экономика природопользования: Учебник для вузов. –М.: Закон и право, ЮНИТИ,
1998. –455 с.
12. ГОЛУБЧИКОВ Ю.Н. Холодные пределы продовольственных ресурсов человечества // География и природные ресурсы.
1998. №2 с.16-21.
13. ГОРШКОВ В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. –М.: ВИНИТИ, 1995. –471 с.
162
14. ГОРШКОВ В.Г. Энергетические потоки биосферы и их потребление человеком // Известия ВГО. 1980. Т.112. №5 с.411418.
15. ГОРШКОВ В.Г., КОНДРАТЬЕВ К.Я., ЛОСЕВ К.С. Земля
в опасности (концептуальные аспекты региональной и глобальной экологии в конференции ООН по окружающей среде
и развитию // Известия РГО. 1992. Т.124. №4 с.305-316.
16. ГУМИЛЕВ Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. –Л.: Изд-во
Ленинград. Университета, 1989. –496 с.
17. ДАНИЛОВ А.Д., КАРОЛЬ И.Л. Атмосферный озон – сенсации и реальность. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –120 с.
18. ДЕМИНА Т.А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды: Пособие для учащихся старших классов
общеобразовательных учреждений. –М.: Аспект Пресс, 1996. –
143 с.
19. ДРЕЙЕР О.К., ЛОСЬ В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. –М.: Знание, 1991. –64 с.
20. КОНДРАТЬЕВ К.Я. Поворотная точка: конец парадигмы
роста // Известия РГО. 1999. Т.131. №2 с.1-14.
21. КОНДРАТЬЕВ К.Я. Вторая конференция ООН по окружающей среде и развитию: некоторые результаты и перспктивы // Известия РГО. 1993. Т.125. №3 с.1-8.
22. КУРС практической психологии, или как научиться работать и добиваться успеха: Учеб. пособие для высшего управленческого персонала / Автор-составитель Р.Р. Кашапов. –
Ижевск: Изд-во Удмуртского ун-та, 2000. 448 с.
23. КУТЕПОВ А.М. и др. Общая химическая технология. –М.:
Высш. шк., 1990. –520 с.
24. ЛЕВИН А.С. Введение в общую экологию /Под ред. академика АН Эстонии Ю.Мартина. –Силламяэ: ИЭ иУ, 1998. –317
с.
25. ЛЕВИН А.С. Введение в общую экологию. –Таллин: LEX,
1996. –178 с.
26. ЛОСЬ В.А. Взаимоотношения общества и природы как
глобально-региональная проблема (на примере развивающихся
стран). Обзор. Спец. информация по проблемам экологии. –М.:
ИНИОН АН СССР, 1991. –84 с.
163
27. МАЗУР И.И., МОЛДОВАНОВ О.И. Курс инженерной
экологии: Учебник для вузов. –М.: Высш. шк., 1999. –447 с.
28. ПАХОМОВА Н.В., РИХТЕР К.К. Экономика природопользования и экологический менеджмент: Учебник для вузов.
–СПб: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1999. –488 с.
29. ПЕТРОВ К.М. Общая экология: взаимодействие общества
и природы: Учеб. пособие для вузов. –СПб: Химия, 1997. –352
с.
30. ПТИЦЫН А.Б., ДМИТРИЕВ А.Н., ЗОЛЬНИКОВ И.Д.,
КОВАЛЕВ В.П. Геологические аспекты рационального природопользования // География и природные ресурсы. 1999. №1
с.28-34.
31. РЕЙМЕРС
Н.Ф.
Природопользование: Словарьсправочник. –М.: Мысль, 1990. –637 с.
32. РОМАНОВА Э.П., КУРАКОВА Л.И., ЕРМАКОВ Ю.Г.
Природные ресурсы мира: Учеб. пособие. –М.: Изд-во МГУ,
1993. –304 с.
33. СТАДНИЦКИЙ Г.В. Экология: Учебник для вузов. –СПб:
Химиздат, 1999. –280 с.
164
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абиотические условия 60
Автотроф 24
Агроценоз(ы)
37, 55, 78, 137
Адаптация 107, 109, 167
Азот 25, 28, 30, 63, 106
Аминокислоты 31
Аппарат транспирационный 76
Ареал
17
Атмосфера 31, 74, 79, 122
Атом углерода 29
Аэробные условия
25
Бактерии 14, 26, 25, 28, 40, 56,
61, 80, 101-104, 115, 120
зеленые 26
карбоксидобактерии 102
метанового брожения
100
нитрифицирующие 26, 102
нитробактер 26
нитрозомонас 26
пурпурные
26
тионовые
102
ферробактерии
26
хемолитотрофные
101
Белок (и) 23, 31, 33, 71, 106, 111
часть цепи
29
Бенз(а)пирен
96, 116, 117, 129
Биогаз
100
Биоген (ы) 28, 106
Биогеотехнология
102
Биомасса 25, 33, 44, 140
Биогеоценоз
15, 19
Биопродукция
первичная
23
Биоразнообразие 88, 100, 101,
110, 134, 135, 140
Биосфера 19, 43
Биотоп
8, 17
Биоценоз 9, 15, 17, 45, 59, 125
Взаимодействие 18
биотическое 18
внутривидовое 18
межвидовое
18
Вещество(а)
143
неорганическое
26, 54
опасные для жизни 128, 129
органическое 26, 54, 55
Вид(ы)
160
биологический
17, 57
разрушитель 40-42, 160, 161
Вирусы
71, 115
синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД) 135
Вложение энергии
141
в земледелие 144
Вода(ы)
11, 31, 55, 85, 109, 142,
147, 149
сточные 56
Водород 25, 28, 100, 102, 106
Водоросли 14, 56, 103
сине-зеленые 26
Воздух
11, 24, 79, 109, 113,
124
Выживаемость 65
Ген(ы)
71, 115
Геном
116
Генотип
116
Гетеротроф
36
Глюкоза
24, 26
Голод
110-112, 140
Гомеостаз 46, 53, 54
Гомеостатическое плато
56, 108
Грибы
28, 40, 61, 103
Гумин
28
Гумификация
28, 32
Гумус
28, 29
165
53-
Давление на территорию техноэнергетическое 142, 144
Деструктор(ы) 27, 79
Детрит
54
Динамика численности
6466
Диоксин 117
Дожди кислотные
6, 96, 118
Дыхание 31, 37, 44
Ил активный
19
Информация
49, 50, 143
генетическая 100
запас
50, 77
обмен
49, 59
Кальций 6, 106
Качество жизни 79
Кислород 24, 28, 30, 79, 85, 102,
106, 136
Кислота(ы)
аденозиндифосфорная
(АТФ)
28
азотистая
26
азотная 26
гуминовые
28
дезоксирибонуклеиновая (ДНК)
28, 106, 120
рибонуклеиновая (РНК)
28,
71, 120
серная 5, 96
Климакс 58, 60, 70, 79
Климат
16, 113, 124, 125, 132
Климатоп 16, 20, 58
Консумент(ы)
23, 27, 30, 69,
81, 82
Коэффициент гидротермический
(ГТК)
93
Круговорот(ы) 22, 131
биогенов
38, 159, 161, 163
биогеохимический 30,
131,
160
биологический (биотический)
27, 29, 30, 31, 39, 45, 160
веществ 53, 80-82
геологический 45
замкнутость 41, 43, 137, 160
показатель разомкнутости 81,
141
продолжительность 30
разомкнутость 43, 137, 145,
159, 161
Жертва(ы) 34, 46-48, 75
Животные 27, 32, 40, 42, 64, 69,
74, 127, 134, 136, 145
беспозвоночные
68
плотоядные
31
растительноядные 31,74
травоядные
21
хищные 32
Жир(ы)
28, 33
Загрязнение
82, 127
биологическое
127
информационное
127, 129
окружающей среды 11,
110,
116, 149
физическое
127, 129-131
химическое
127-129
Закон
выживаемости
68
падения природно-ресурсного
потенциала
147
снижения энергетической эффективности природопользования
147
термодинамики второй
43,
44
управления общий 77
Зона абсолютного голода
112
Зооценоз 15, 16, 21
Излучение
ультрафиолетовое
119
166
степень замкнутости
81, 85
Литосфера 25, 99
Лучи инфракрасные
43,
Пирамида(ы)
33
биомасс
32, 33
численности 32
экологическая 32, 39, 81, 133,
139
энергии 32, 34
Питание 111
растений минеральное
25
Полезные ископаемые 87, 95, 105
Популяция(и)
17
динамики
66
плотность
52
численность 42
Потенциал природно-ресурсный
9, 10
Поток(и)
вещества
16
информации 16
разложения биомассы (Р(-))
81
81
синтеза биомассы (Р(+))
энергии 16, 22, 33, 35, 53, 98,
133, 163, 164
Потребление
кислорода
биохимическое
(БПК)
55, 56
цивилизации 40
энергии 110, 131, 132, 152, 162
Почва(ы) 32, 62, 89, 109, 118,
137
возраст 90
истощение
29
плодородие
28, 38, 88, 148
подзолистые 28
серозем 29
чернозем
28, 29
Почвообразователи
28
Пояса термические
92
Правило десяти процентов 133
Принцип
Ле Шателье
44, 80
стабильности 44
124
Материалоемкость
151
Металлоемкость 151
Микробиологическое извлечение
металлов 103
Микробоценоз 15, 16, 20-22, 56
Микроклимат
16, 17
Микроорганизм(ы)
15, 17, 18,
27, 43, 103, 104
Микроэлементы 25
Минерал(ы)
25, 30
Молекулы органических веществ
23
Моллюски 40
Мониторинг
30, 43, 75, 76
Мутация(и)
43, 71, 78, 116,
120, 159, 163
Насекомые
40, 61, 69, 70,
76, 119
Нейтрализм
17
Ниша экологическая 19, 59, 80,
134, 135
человека
109
Озон стратосферный 118, 122
Опустынивание 29, 110, 134
Организм(ы)
54
автотрофные 22
анаэробный
100
гетеротрофный
27, 28
живой 14, 17, 33, 39, 106, 107,
159, 160, 166
растительноядные 27
Оружие массового уничтожения
110, 112
167
сукцессионного замещение
57
Природоемкость 149-151,
153,
155
макроуровень 149-151
уровень продуктовый, отраслевой 150, 151
Природопользование 9, 11
нерациональное
12
рациональное 7, 8, 12, 78, 82,
86, 104
Прирост численности 65
нулевой 65
Продуктивность 36, 64, 80, 126,
135
биологическая
33
Продукция
9, 38, 80, 136,
162
валовая первичная 35-38
консументов вторичная
35,
36
первичная чистая
35, 36, 41,
133
растений
40
сообщества чистая 37
Продуцент(ы)
22, 23, 30, 35,
39, 79, 159
Простейшие
19
Регуляция биотическая 41
Редуцент(ы)
22, 23, 27-30, 32,
33, 39, 40, 43, 79, 80, 82, 159
Ресурс(ы) 39, 41, 142, 160
ассимиляционный 88, 101
биологические
85,
104,
160
водные 94
возобновимые 88, 91, 132
воспроизводство
11, 12
древесные
88, 153
животного мира
88, 91
исчерпаемые 86, 88
качество
11
климатические
91
комплексный 101
невозобновимые
88
неисчерпаемые
88, 91, 95,
132
относительно-возобновимые
88, 89, 132
пищевой
33, 52, 54
поверхностных вод 88
подземных вод
88
почвенно-земельные
88,
154
природный(ые)
9, 12, 85,
86, 88, 105, 109, 135, 147, 149-151,
154, 159, 164, 167
растительного мира 88, 91
топливно-энергетический 96
трудовые
11
энергетические
159
Ресурсоотдача природная
155
Рождаемость
52, 65, 67
Сапрофаги 32
Связь(и) 16, 47, 51
обратная
20, 44, 46, 47,
49, 52
отрицательная 11, 47, 48, 51,
52-57, 75, 77, 159
Равновесие
48
биологическое
50
экологическое 9
Растения 17, 27, 30, 40, 54, 62,
74, 119, 126, 128, 133, 136, 162,
163
зеленые 23, 31, 35, 79
насекомоядные
27
паразитические 27
травянистые 58, 59
Реакции
ферментативные
24
фотохимические
24
168
положительная
11, 47, 48,
52, 53, 56, 57, 75, 77
химическая
33
Севооборот
62, 63
Сера 28
Сеть пищевая
32, 77
Система
43, 46, 49, 50, 54, 55,
61, 80, 166
природная
9, 19, 22, 45, 81,
82, 101, 137, 141, 143, 147, 166
природно-техногенная
141,
144
экологическая
(экосистема):
8, 14, 18, 19
водная 33
глобальная
19
замкнутость 22
климаксная
64
лесная 79
макроэкосистема
19
мезоэкосистема
19
мера термодинамической упорядоченности
44
микроэкосистема
19
наземная
33
океана 79
открытость
22
разомкнутость
22
Смертность
52, 65, 67
Сообщество(а) 15, 17, 38, 40-42,
51, 59, 134, 159-161
Среда
абиотическая 17
биотическая 17
геологическая 16
неживая 9
обитания
9
окружающая 9, 39-42, 54, 160,
166
химический состав 54
Стация
73, 75, 76
Структура экологической системы
компонентная 16, 17
трофическая 23
Сукцессия(и)
46, 57, 58, 61,
62, 76, 80
антропогенная
60, 62, 63
восстановительная 60, 63, 64
вторичная
60
зоогенная
60
ландшафтная 60
первичная
60
фитогенная
60
циклические 60, 63
Сумма
активных температур
92
биологических температур 92
Сырье топливно-энергетическое
95
теплотворность
96
Теория(и) динамики популяций
72
гелеоклиматическая 73
градоцен
73, 75
климатическая
73
метеосиноптическая 73
паразитарная 73
синтетическая 73, 75
системные
73, 75
стациальная
73, 75
трофическая 73
факториальные
72, 73
феноменологическая
73,
75
Территории невозмущенные человеком
110, 137, 149, 161
Углеводы 26, 28, 33
Углерод
25, 28-30, 62, 106, 138,
162
Диоксид 24-26, 79, 123, 124,
162
Удобрения
148
169
минеральные 29
органические 29
Ульмин
28
Уровень(и)
организации живой материи
14
трофический (пищевой)
3236, 38, 43, 45, 133, 139
Урожай
25, 36, 62
Урожайность
64, 139, 148, 155
аутэкология
14
глобальная
15
демэкология 14, 64
синэкология 15
человека
116
Экотоп
9, 16, 43, 45, 54, 63, 79,
108
Энергия
141
биоконверсионная 99
ветровая
95, 97, 98
геотермальная
95, 99
дыхания
35, 44
затраты 141, 152
неассимилированная
35
неиспользованная
35
приливная
95, 97
световая
23, 35
солнечная
23, 25, 26, 30,
44, 48, 49, 95, 96
температурного градиента вод
океана
95
фотона солнечного света 24
фотона ультрафиолетового излучения
121
химическая
23, 30
химических связей 24
Энергетические затраты человечества 142
Энерговложения 138, 142
Энергоемкость 151, 153
валового национального продукта (ВНП)
153
Энергопотребление человечества
98
Энтропия 43
Эффект парниковый
118, 123126
Эффективность
энергетическая
148, 149
Фактор(ы) экологический(е) 70,
71, 109
абиотический 45, 49, 71, 75
антропогенный
71, 72
биотический 71, 75
природный
72
Фильтры биологические
19
Фитофаг(и)
31
Фитоценоз 15, 16, 21, 58
Фотосинтез
23-26, 30, 35, 99,
113, 126
Фруктоза 24
Фульвокислоты 28
Хемосинтез
23, 26, 27
Хемосинтетики 26
Хищники 27, 45, 47-49, 75, 134
Царство
15
Цепь трофическая (пищевая) 27,
38, 48, 50, 51, 78, 119
Черви
28, 40
Членистоногие 40, 61
Шкала времени
геологическая 87
историческая 85
Эдафотоп 16, 20-22
Экология 8, 14, 15, 19, 42
170