Семинар 8 Экология как мультидисциплинарная наука. Решение экологических проблем как основа выживания человечества.

Вопросы для обсуждения:

1. Экосистема и биосфера - определения и соотношение.

2. Экология с позиций естествознания. Законы экологии.

3. Антропогенные составляющие влияния на экосистемы.

4. Экологические кризисы: прошлое и настоящее (научно-технический прогресс и его экологические последствия, экономический рост и его экологические последствия).

5. Пути решения экологических проблем современной цивилизации.

Области интересов биологии и экологии представлены на схеме 1 (в конце темы).

Определение экосферы как совокупности экосистем непосредственно связано с определением биосферы (см. пред. семинар). В процессе эволюции сформировались основные тенденции, позволяющие говорить о том, что биосфера изменилась, а некоторые ее составляющие начали играть особую роль в сложившихся природе экологических системах.

Под экологической системой (экосистемой) понимается:

1. Любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое из-за взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующих между отдельными средообразующими компонентами ( микро-, мезо- и макроэкосистемы ).

2. Информационно-саморазвивающаяся, термодинамически открытая, склонная к эволюции совокупность биотических экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии с определенной функциональной связью, расположенная в пределах определенного участка биосферы (экосферы).

Любая экосистема использует для своего развития определенный базис. Для наземных экосистем таким базисом является почва – историческое новообразование на поверхности литосферы. Почва – это продукт выветривания, реорганизации и деформирования верхних слоев земной коры под влиянием атмосферных и обменных процессов. В почве взаимодействуют вода, воздух и живые организмы, участвующие в ее формировании. Состав почв является особенным для каждого климатического пояса и т.п. Плодородие почвы определяется избытком или недостатком гумуса (высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества почвы, содержащие гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и ульмин), так как с его помощью осуществляется серия обменных процессов, в которых участвуют кислород, углерод, азот, вода, минеральные соли. В настоящее время можно сказать, что почвы выполняют глобальные функции:

1. Литосферные: биохимические преобразования верхних слоев литосферы; являются источником вещества для образования минералов, пород и полезных ископаемых; передают аккумулированную энергию в нижние слои литосферы; защищают литосферу от чрезмерной эрозии; наличие почва является условием нормального развития литосферы.

2. Гидросферные: трансформация поверхностных вод в грунтовые; участие в формировании речного стока; являются фактором биопродуктивности водоемов за счет переносимых почвенных соединений; выполняют сорбционную функцию по защите водоемов от загрязнения.

3. Атмосферные: поглощение и отражение солнечной радиации; регулирование влагооборота в атмосфере; являются источником твердого вещества и микроорганизмов, поступающих в атмосферу; поглощают и удерживают некоторые газы; регулирование газового режима атмосферы.

4. Биосферные: среда обитания, аккумулятор и источник энергии для организмов суши; связующее звено биологического и геологического круговоротов; защитный барьер и условие нормального функционирования биосферы; фактор биологической эволюции.

Рассматривая различные типы экосистем, можно придти к выводу, что каждому организму соответствует в его среде обитания определенная ниша (экологическая ниша), которая определяется его потребностью в пище, территории, связана с функцией воспроизводства. Некоторые виды расширяют свою нишу, порабощая другие. Типичным примером такого порабощения является человек.

К ключевым понятиям для экосистемы относятся:

1. Биогеоценоз (состоящий из взаимосвязанных биоценоза (продуценты, консументы и редуценты) – живого компонента и экотопа (воздух, вода, почвы) – костной системы).

2. Пищевые цепи (пастбищные (ряд живых организмов, в котором каждый вид питается предшественником по цепи и в свою очередь оказывается съеденным видом, занимающим более высокий пищевой уровень) и детритные (когда организмы потребляют мертвое органическое вещество, последовательно разлагая его на все более простые органические соединения)).

3. Поток энергии. В природе поглощается лишь 1-2% солнечной энергии, достигающей Земли. Живые организмы, имеющие различную эффективность усвоения пищи (у хищников она самая высокая – 60-90%), расходуют энергию на: рост биомассы, движение, дыхание, создание запасов в виде возникающей биомассы, поддержание целостности и функций организма, размножение и развитие, передачу в пределах организма, реакцию на внешние раздражители.

4. Экологические факторы: биотические (совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие) и абиотические (климатические, эдафогенные (механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость и плотность почв), орографические (рельеф местности, высота над уровнем моря, экспозиция склона) и химические).

5. Устойчивость экосистемы, которая определяется видовым разнообразием, полноценным круговоротом веществ, пирамидой энергии, приспособленностью видов и стабильностью численности популяций. Для экосистемы справедлив принцип Ле Шателье – Брауна, согласно которому при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Становление экологии как науки происходило скачкообразно, так как первые экологические знания были фактически интегрированными в биологические. На схеме 4 представлена эволюция понятий об экологии, связанная с изменением ее статуса от науки биологического цикла до самостоятельной мультидисциплинарной науки.

В настоящее время в науковедении часто говорят о существующем принципе экологизации как всей науки, так и естествознания в частности. Принцип экологизации сформировался в так называемое «экологическое двадцатилетие» (1972 – 1992), когда определяющими в научном познании были проблемы взаимоотношения человека, общества и биосферы в динамике глобального исторического развития цивилизации.

Выделяют три уровня экологизации, заключающейся в проникновении экологических законов, правил и принципов в сложившуюся систему научного знания:

- внутридисциплинарная экологизация – выявление биосферных знаний в системе конкретной научной дисциплины ( анализ экологических аспектов в химии, физике и т.п.);

- междисциплинарная экологизация – формирование в традиционной системе наук новых дисциплин, имеющих экологическую направленность (экологическая химия, экологическая физика, экологическая кибернетика, экологическое право, экологическая экономика и др.);

- проблемная экологизация – взаимосвязь различных областей современного научного знания для решения конкретных экологических задач.

В настоящее время можно говорить о сложившейся совокупности наук экологического цикла, представленной на схеме 5.

В рамках современной экологии существует много законов, правил и принципов. Известный российский эколог Н.Ф. Реймерс произвел в своей книге «экология» количественный и качественный их анализ и сделал попытку их систематизации. Причем многие из обобщений являются вторичными по отношению к фундаментальным законам природы, сформулированным в биологии и других науках.

Приведем, например, законы (афоризмы) Б. Коммонера, которые являются итоговыми на длинном пути анализа от общесистемных закономерностей до обобщений, касающихся природопользования и поведения людей в их взаимодействии с природой:

1. Все связано со всем. Все экологические системы являются взаимонастраивающимися и взаимоуравновешенными, существует всеобщая связь процессов и явлений природы (близок по смыслу закону внутреннего динамического равновесия).

2. Все должно куда-то деваться. Существует дефицит некоторых элементов, которые можно получить за счет использования биогенных элементов по типу круговоротов. Появление элементов (в т.ч. отходов хозяйственной деятельности), не участвующих в метаболизме, приводит к тяжелым последствиям (следствие закона сохранения материи).

3. Природа «знает» лучше. Пока нет абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, человечество легко вредит природным системам, пытаясь эксплуатировать и модернизировать их. Любое крупное антропогенное изменение природной системы вредно для нее, ибо система прошла несравненно более длительную эволюцию, чем период развития цивилизации.

4. Ничто не дается даром. В природе всякий объект чего-то стоит, потому что любая экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не должно быть потеряно: все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возвращено.

Интересны вторичные по отношению к фундаментальным законам природы, но первичные при анализе хозяйственной деятельности человека «железные законы» охраны природы П.Р. Эрлиха, особенно с точки зрения научных дискуссий об устойчивом развитии:

1. В охране природы возможны только успешная оборона и отступление. Наступление невозможно: вид или экосистема, однажды уничтоженные, не могут быть восстановлены.

2. Продолжающийся рост народонаселения и охрана природы принципиально противоречат друг другу.

3. Экономическая система, охваченная манией роста, и охрана природы также принципиально противоречат друг другу.

4. Не только для всех других организмов, но и для человечества смертельно опасно представление о том, что при выработке решений об использовании Земли надо принимать во внимание одни лишь ближайшие цели и немедленное благо Homo sapiens.

5. Аргументы об эстетической ценности различных форм жизни, о том интересе, который они представляют сами по себе, или призывы к сочувствию по отношению к нашим, может быть, единственным живым спутникам в космосе в основном попадают в уши глухих. Охрана природы должна считаться вопросом благосостояния и в более далекой перспективе – выживания человека.

В настоящее время доминирует концепция, согласно которой происходит эволюционное превращение биосферы в ноосферу. Отметим в этой связи, что роль человека в указанном процессе первична. Каждая из революций, определяющих изменение направления развития человечества (биотехническая (переход от истребления животных и собирательства к производящему хозяйству 35 – 50 тыс. лет назад), первая сельскохозяйственная (переход на новые земли по мере истощения старых, сведение лесов 10-50 тыс. лет назад), вторая сельскохозяйственная (развитие неполивного земледелия 2 тыс. лет назад), промышленная (развитие производительных сил, начало широкого применения минеральных ресурсов 150 – 350 лет назад), научно-техническая и энергетическая), определили усиление антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Своей деятельностью человек нарушает основные принципы естественного устройства биосферы: тепловой баланс, биогеохимические циклы биогенных и других элементов, истребляет (прямо или косвенно) биологические виды¹, увеличивает количество сопутствующих видов и способствует нарушению популяционной стабильности, резко, вследствие развития какого-либо вида хозяйственной деятельности, меняет параметры экологических факторов, хищнически использует природные ресурсы.

На схемах 6 и 7 даны классификации воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду. Схема 12 демонстрирует экологические последствия деятельности человека, возникающие в результате распространения воздействий через передающие среды и их накопления в депонирующих средах. Например, почва является основной депонирующей загрязнения средой и для ее восстановления (рекультивации) требуется значительное время.

Современного человека необходимо рассматривать в диалектическом единстве с окружающей его средой. Он использует в свое деятельности различные природные ресурсы, классификация которых приведена на схемах 8 и 9 . Многие ресурсы используются нерационально, т.е. не в полном объеме или не по назначению, их рыночная стоимость не соответствует реальной стоимости. Не учитывается и ограниченность объемов многих ресурсов, что со временем может составить огромную проблему для будущих поколений людей.

Социальные и экономические факторы в значительной мере влияют на количество и качество воздействия человека на окружающую среду. Так, почти повсеместно, экономический рост совпадает с усилением воздействия. Причем рост технологичности производства переводит возникающие проблемы на другой уровень рассмотрения. Высокотехнологичные производства, как правило, отличаются использованием технологий с повышенными энергетическими параметрами и концентрациями веществ, созданных человеком и не присутствующих в природе. Несмотря на принятие технологических, организационных и др. мер, снижающих возможность воздействия на окружающую среду таких производств при нормальном режиме их функционирования, риск аварийного воздействия остается и возрастает многократно. Поэтому с воздействием таких производств связаны проблемы экологической безопасности.

Например, для снижения воздействия промышленного предприятия необходимо использовать следующие принципы выбора для внедрения экологически ориентированных технологий:

1.Необходимость создания полных технологических циклов в рамках одного производства.

2. Важным принципом, используемым при создании малоотходных и безотходных технологий, является полное разделение сырья на компоненты, служащие основой его комплексной переработки, это позволяет производить переработку сырья с минимальными потерями и отходами.

3. Замена сырья и материалов в ряде производственных процессов, прежде всего в современных химических технологиях.

4. Освоение нестандартных видов сырья и альтернативных энергоносителей. В последнее время использование энергии ветра, солнца, почвенного тепла и т.д. уже перестало быть экзотикой, ряд подобных технологий предлагается на коммерческой основе и пользуется спросом. Технологии, связанные с нетрадиционными видами сырья, пока, главным образом, в силу исторических условий (экстенсивное развитие экономики, ориентированное на ресурсоемкие отрасли), развития в России не получили.

5. Особое место среди экологически ориентированных технологий занимают способы переработки отходов, скапливавшихся в течение многих десятков лет (гальваношламы, изношенные автопокрышки и т.д.). Если для переработки значительной части подобных отходов могут быть применены зарубежные технологии, то для некоторых видов отходов, существующих только в России в силу применения специфических производственных процессов, технологии могут быть разработаны только усилиями местных специалистов.

Можно выделить два типа экологически ориентированных технологий: технологии, направленные на совершенствование производственного процесса с целью снижения вредного воздействия на окружающую среду; и технологии, направленные на ликвидацию последствий отрицательного воздействия на окружающую среду (переработка отходов, экологическая реабилитация территорий и т.д.).

Для активизации внедрения технологий первого типа необходимо наличие специального правового и налогового механизма, каковой в настоящее время в России практически отсутствует в силу ряда причин, хотя именно на их разработку и применение должны ориентироваться в разработке экологических стратегий все предприятия, особенно привлекающие экологически ориентированные инвестиции и выходящие на мировой рынок.

В то же время для России актуально и развитие технологий второго типа в силу некоторых экономических причин.

Итак, в настоящий момент человечество столкнулось со множеством экологических проблем, постепенно объединяющихся в одну глобальную.

Например, тенденции изменения окружающей среды до 2030 г. представлены на схеме 13, а современные экологические проблемы – на схеме 11.

Пути решения этих проблем достаточно разнообразны и могут быть найдены на глобальном, национальном, региональном и локальном уровнях, что не исключает, однако, обязательной направленности всего мирового сообщества на их решение. Одним из способов решения помет стать переход к устойчивому экологически безопасному развитию.

Пути решения глобальной экологической проблемы необходимо анализировать по следующим направлениям:

1. Экологизация научных исследований (в естественной и гуманитарной сферах).

2. Признание лидерства наук о Земле и научное разрешение биосферных и экосферных противоречий. Первичный учет фундаментальных законов природы.

3. Введение технико-технологического развития в рамки экологических ограничений.

4. Обязательная оценка экологической эффективности хозяйственной деятельности и ее сопоставление с экономической и социальной эффективностью.

5. Переход от «роста» экономики к ее экологизированному развитию.

6. Формирование в системе права специфической отрасли – экологического права.

7. Воспитание «экологического человека» и признание за ним ответственности за сохранение окружающей среды и «равноправия» в ней других биологических видов и т.д.

Схема 1