Динамика численности населения Земли

Дата	Численность населения	Средний годовой прирост численности
0 (начало новой эры)	0,3 · 109	0,44 млн. 8,3 млн. 20 млн. 70 млн. 70 млн.
1810 г.	1,1 · 109
1930 г.	2,1 · 109
1950 г.	2,5 · 109
1990 г.	5,3 · 109
2000 г.	6,0 · 109

Прирост численности людей обусловлен не естественным состоянием кормовой базы, не параметрами экотопа, а социальной и культурной составляющей.

Человек имеет свою, только ему присущую, экологическую нишу, 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 [35]. Но благодаря социально-культурным 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. Производственно-хозяйственная деятельность человека, использование (переработка) природных ресурсов неизбежно приводят к образованию побочных продуктов – отходов, рассеиваемых в окружающей среде. 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. Человек должен обратить свою деятельность на сохранение собственной экологической ниши для настоящего и будущих поколений.

4.1.2. Экологические проблемы человечества

Природно неоправданный рост численности людей (экологическая проблема №1) ведет к целой череде производных явлений, охватывающих как экологию самого человека, так и множества других живых организмов. Объединим эти явления названием «экологические проблемы человечества» и проиллюстрируем схемой – см. рис.4.1.

Рис. 4.1. Экологические проблемы человечества

Поясним приведенную схему.

Голод. Среднестатистический человек при массе тела 67 кг в возрасте 18-29 лет для нормальной жизни должен получать в сутки в среднем 10,5 МДж (2500 ккал) энергии и 65 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 [27]:

• 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);

• 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 10,4 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 [27].

Голод в мире 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, 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. [9]. 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 [27] 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 отходов; в дальневосточные моря – 3580 м³ жидких отходов и 2740 м³ твердых радиоактивных отходов [26]. На многих базах ВМФ радиоактивные отходы накапливаются прямо на открытых площадках [26].

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 ипритно-люизитовые смеси) [26].

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 света», был осуществлен членами секты «Аум Синрикё». Потенциальными статистами этого акта едва не стали все жители Японии. Доступность производства зарина подтверждается тем, что секта «Аум Синрикё» 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 возможным применением биологического и токсического оружия.

Загрязнение окружающей среды (продолжение пояснения схемы рис. 4.1) неизбежно сопровождает технический прогресс при росте численности населения. Мировой общественный продукт в период с 1950 по 1990 год вырос в 5 раз [17], 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], то есть возрастает число мутаций в популяции человека. Выявление влияния факторов окружающей среды на геном человека – актуальная проблема экологии человека [3]. 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 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 на полигоны захоронения отходов.

Химические формулы бенз(а)пирена и диоксина.

Последствиями загрязнения окружающей среды являются и такие глобальные эффекты, приводящие подчас к пагубным для жизни последствиям, как:

• кислотные дожди;

• уменьшение содержания стратосферного озона;

• парниковый эффект.

О механизме формирования кислотных дождеймы упоминали ранее, сейчас кратко обсудим их экологические последствия. Кислотность среды количественно оценивают по численным значениям водородного показателя, рН.

(4.1)

где - концентрация ионов водорода (Н⁺), измеряемая в единицах: моль/л.

Для нейтральной среды рН=7 или =10^-7моль/л.

Если рН7 – среда кислая, если рН7 – щелочная.

Кислотные дождиотрицательно 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 [9] 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 нет молоди) гибелью водных организмов. 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 насекомые-вредители, 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 [6]. 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 0^оС и давлении 760 мм рт.ст.), составит всего лишь 3 мм. Однако это количество озона полностью поглощает всю энергию ультрафиолетовой радиации Солнца, вплоть до 290 нм, вследствие химических и физических его особенностей. Кроме того, озон отражает инфракрасное излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.

Отметим, что в небольших дозах ультрафиолетовое облучение, при длине волны: 280-400 нм способствует выработке в организме человека и животных витамина D₃ [6], регулирующего процесс кальциевого обмена, благоприятно для них. 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. В случае истощения озонового слоя, 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 экологических пирамид.

Заметные изменения (в частоте заболеваний, вероятности мутации) должны начаться уже при длительном и глобальном уменьшении содержания озона даже на несколько процентов [19]. «Утоньшение» слоя озона даже на 1% может увеличить интенсивность эффективного излучения, приводящего к заболеваниям раком кожи людей; уменьшение на 1,5-2,5% может вызвать рост числа таких заболеваний на 10-20% [19].

Механизм «защитной работы» озона можно проиллюстрировать схемой:

О₃ + hν_уф = О₂ + О

О₂ + hν = 2О

О₂ + О + М = О₃ + М

Где hν_уф – энергия фотона ультрафиолетового (УФ) 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 (образующийся при сгорании топлива); Cl (продукт распада фреонов).

Отразим сказанное в рисунке (рис.4.2.).

Рис. 4.2. Схема затрат стратосферного озона

hν_уф – энергия фотона 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 [9] 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) [10].

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 по его формированию (методы электромагнитного излучения, электрических разрядов, лазерного излучения) [9].

Парниковый эффект обусловлен наличием в атмосфере таких газообразных веществ, как диоксид углерода, пары воды, метан, оксиды азота, озон, фреоны. Они пропускают солнечные лучи, но препятствуют длинноволновому излучению с земной поверхности. Механизм получения парникового эффекта иллюстрирует рис.4.3.

Рис. 4.3. Парниковый эффект

Пояснения к рис.4.3: 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% поглощаются поверхностью суши и океанов [31]. 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.4.3) не пропускает инфракрасные лучи, благодаря чему воздух нагревается. Парниковые газы выполняют функцию стеклянного покрытия поверхности Земли.

Естественный парниковый эффект создает прирост средней температуры Земли на 30^оС [31]. Если бы парникового эффекта не было, то средняя температура Земли, составляющая сейчас 15^оС, понизилась бы до -15^оС. 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 [10]. 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 0,6^оС, а к 2020 г. – может повыситься еще на 2,2÷2,5^оС, при этом на полюсах температура возрастет более, чем на 10^оС. Парниковый эффект имеет как отрицательные так и положительные последствия.

Отрицательные последствия – это повышение уровня Мирового океана. Сейчас оно составляет примерно 25 см за столетие [10]. 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. Отрицательные последствия регионального масштаба – деградация «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% [10].

Несмотря на положительные последствия, парниковый эффект представляет сложную экологическую проблему, так как 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 загрязнения окружающей среды, которые, согласно [10] можно подразделить на три основных: биологическое, химическое, физическое. Учитывая сведения [26], добавим информационное загрязнение и приведем классификационную схему загрязнений (рис.4.4). Представленная схема условна и не претендует на универсальность, например в [31] приведена более обширная и подробная классификация загрязнений экологических систем, но и она не универсальна.

Рис. 4.4. Основные типы загрязнения окружающей среды

Биологическое загрязнение – это привнесение в экологические системы чуждых им животных (зоогенное загрязнение), растений (фитогенное) и микроорганизмов (микробогенное). 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 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 загрязнений химического типа приведено в литературе (см. например [26,27]), 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 загрязнение связано с изменением физических, температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды (см. рис.4.4). Оно включает: тепловое, шумовое, электромагнитное, радиоактивное, световое загрязнения. В последнее время обращают особое внимание на электромагнитное загрязнение, связанное с высоковольтными линиями электропередач, функционированием электроподстанций, радио- и телепередающих станций, а также с использованием микроволновых печей, компьютеров, радиотелескопов, мобильных телефонов. 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 и информационное загрязнения (пояснения к рис. 4.4) близки по природе распространения. По воздействию на живой организм информационное загрязнение близко к биологическому. В настоящее время в США созданы и приняты на вооружение 3 вида систем информационного оружия (ИНФОР и РЭП) [26]:

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 сердечно-сосудистой 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 [26].

3. Радиоэлектронное подавление (РЭП) – осуществляется автоматически наземными, корабельными и авиационными системами поставки помех.

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.

Избыточное потребление энергии людьми (пояснение схемы рис. 4.1). 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 – около 10¹² Вт. При этом, по мнению В.Г. Горшкова [15,16] 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 потребление людьми 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 запасов невозобновимых источников энергии (типа термоядерной энергии) или за счет перераспределения солнечной энергии нарушает стабильность климата Земли [16].

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 потребления людьми продукции биосферы необходимо дополнительное энергопотребление на 2 порядка меньше, чем в предыдущем случае, а именно около 10¹³ Вт (современное потребление), при дальнейшем развитии цивилизации – до 610¹³ Вт [16]. Но время существования общества с такой величиной потребления продукции биосферы определяется продолжительностью истощения источников невозобновимых ресурсов.

Таким образом, возможность устойчивого существования общества людей в глобальном масштабе определяется величиной потребления ими энергии основанного на использовании возобновимых, относительно возобновимых и неисчерпаемых ресурсов. Величина 10¹² Вт 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.3.2; при этом потребление пищи, выражаемое в единицах массы всегда можно заменить эквивалентными 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 [33].

Поскольку вполне достоверно определена допустимая величина глобального потребления энергии людьми (антропогенного потока энергии), не приводящая к нарушению «кормящих» и «чистящих» нас природных экосистем ~10¹² Вт, необходимо на международном уровне определить ее распределение между государствами, в противном случае человечество ожидает судьба вымерших биологических видов.

Величина энергии, потребленной людьми, 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 (пояснение схемы рис. 4.1). Биоразнообразие обеспечивает устойчивость биосферы в целом, поскольку оно обеспечивает большее число связей в экологических системах, сохранность банка генов. Изучение биоразнообразия включает документирование его структуры, состава, глобального распределения и анализ всей иерархии биосистем от молекул до биосферы; 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 [10]. Следует помнить, что каждый вид занимает свою собственную экологическую нишу, отвоеванную у других в ходе конкурентной борьбы. Определенная 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 экологической ниши, оказавшейся свободной, можно описать биологический 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 [20].

В литературе по экологии приведено множество сведений об истощении, подчас катастрофическом, соответствующих природных ресурсов. Подобная информация приведена, например, в работах [28,34]. 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 бóльшая часть 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 [21]. 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, 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 (см. п.3.4), но наименее устойчивой к различного рода антропогенным воздействиям. Дело в том, что здесь, вследствие благоприятных климатических условий, метаболические процессы идут в ускоренном темпе, и биологический круговорот веществ наиболее приближен к идеальному: показатель разомкнутости (см. формулу (3.11)) K ~ 0, т.е. вся синтезированная за сезон биомасса расходуется на дыхание. Таким образом, валовая первичная продукция продуцентов тропических лесов максимально утилизируется значительным числом различных консументов и в почвах мало откладывается непотребленного органического вещества, которое в дальнейшем должно преобразоваться в гумус. Почвы тропических лесов значительно беднее по плодородию, например, почв черноземной зоны России. 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.3.3.1 – с.81). Попытки восстановления традиционных лесных тропических экосистем не дают обнадеживающих результатов. Свободные от леса территории тропиков подвергаются сильному воздействию солнечного излучения, осушаются ручьи и реки, гибнут микроорганизмы верхних горизонтов почв. Почво-грунты (эдафотоп) претерпевают необратимые структурные изменения (см. рис.3.5). На местах, где была пышная растительность формируются саванны и пустыни, биоразнообразие сужается.

Принято, что для поддержания экологической стабильности природных систем необходимо, чтобы примерно 33% территории было занято лесом [21,28].

По оценкам экспертов страны «юга» ежегодно теряют около 6·10⁶ га плодородных земель, еще около 30·10⁶ га земель находятся под угрозой опустынивания [21]. Таков результат несбалансированного применения химических удобрений, избыточного механического воздействия на почву и др. Эрозия почвы в развивающихся странах превышает соответствующие показатели для развитых стран примерно в 2 раза. Образование 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 [28]. Около 10% населения Африки проживает в районах, находящихся под реальной угрозой опустынивания. Нобелевской премии мира 2004 г. удостоена кенийский эколог и политик Вангари Маатаи. Премия присуждена ей за «вклад в процесс устойчивого развития, дело демократии и мира» В. Маатаи, заместитель министра окружающей среды Кении, удостоена премии за работу в качестве руководителя «Движения зеленого пояса», которое вырастило свыше 30 млн. деревьев в Африке. По замыслу В. Маатаи посадка растений с определенной корневой системой должна воспрепятствовать дальнейшему распространению пустынь.

В целом в биосфере под сильным хозяйственным воздействием находится около 50% поверхности суши. Большие площади коренных биогеоценозов заменяются вторичными, более упрощенными и однообразными по составу и структуре с заметно пониженной продуктивностью. Естественный покров степной зоны, природный генофонд которой бесценен для селекции и генной инженерии в области агрокультур, сменился посевами и насаждениями культурных растений, городскими индустриальными территориями. Урбанизация (процесс повышения роли городов в развитии общества) поглощает более 300 тыс. гектаров сельскохозяйственных земель в год, площадь кормилицы пашни на 1 человека неуклонно уменьшается. Сокращаются площади хвойных лесов, которые сменяются менее ценными мелколиственными лесами. В отдельных районах планеты заготавливают древесины больше ее прироста, особенно страдают от этих заготовок горные леса с медленным возобновлением и ростом.

Физическое и химическое загрязнение биосферы разрушительно действует на ход биогеоценотических и генетических процессов даже вдали от очагов непосредственного загрязнения.

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 [15]. 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 [15]. 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 [15]. Последнее установлено на основании анализа данных глобального мониторинга. Такова роль невозмущенных территорий для стабилизации биосферы.

Особое значения для человечества имеют заповедники – особо охраняемые ресурсозащитные территории (акватории), на которых сохраняется в естественном состоянии весь природный комплекс – типичные или родные для данной зоны ландшафты («природные пейзажи»), редкие и ценные виды животных и растений и прочее; главная задача заповедников – сохранение и восстановление эталонных природных (естественных) экосистем, а также свойственного для данного региона генофонда организмов. Не следует путать это понятие с заказником – временно охраняемой природной территорией (акваторией), на которой сохраняют определенные виды растений и животных, геологические объекты, элементы ландшафта и др. Но заказники организуют на землях сельского, лесного, рыбного и других видов хозяйствования обычно сроком на 10 лет, в России. Здесь хозяйственная деятельность допускается лишь в той мере, в какой это не наносит вреда охраняемым объектам (охотничье-промысловым животным, гнездовьям, местам линьки и зимовья птиц, нерестилищам и местам нагула рыб, ценным лесным участкам и прочим).

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.[31]) проблема голода отсутствует, если на одного человека в год с 1 га собирают 1 т зерна. Шестимиллиардному населению планеты требуется 6 млрд. т. Сегодня ежегодный валовой сбор составляет ~2 млрд. т зерна. На одного человека в мире сегодня приходится всего 0,23 га пахотных земель и производительность их в целом низкая. Земля уже сегодня не в состоянии прокормить всех своих жителей.

Согласно В.Г. Горшкову [16] полное потребление одного человека составляет 134 Вт пищи (134 Вт соответствуют 2500 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 (крупы, мука и т.п.), 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 зерновые культуры в мире было отведено 720 млн. га с которых получено 1,8 млрд. т зерна со средней урожайностью 25,6 ц/га [34].

На основании данных работы [31] 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 [8]. Суммарная биомасса живых организмов Земли (континентов и океанов) составляет 2,42·10¹² т [9]. 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 трех источников.

Для улучшения обстановки, необходима селекционная работа на основе имеющегося генофонда, чему способствует сохранение биоразнообразия.