4.4. Биотехносфера и ноосфера

Своеобразие биогеохимических циклов миграции. Биосфера — не только иде­ально организованная система, но и своеобразный «механизме, в котором связь и соотношение между живым и косным веществом подчиняются стро­гим закономерностям, таким же непре­ложным, как законы движения небес­ных светил. Геохимически эти функции жизни осуществляются благодаря раз­множению организмов. Материально-энергетический «напор жизни» на среду подобен напору газа. Живое вещество преодолевает сопротивление среды, стремится занять максимальный объем, распространиться на свободную терри­торию.

Скорость размножения — это ско­рость передачи в биосфере геохимичес­кой энергии. Она зависит не только от астрономических параметров, но и от скорости распространения солнечного луча в среде, от размеров организмов, от заключенной в них геохимической энергии. Постоянство темпа размноже­ния живого вещества обусловило боль­шую устойчивость всех химических ре­акций земной коры. Изменение этой устойчивости, т. е. нарушение биологи­ческих циклов, означало бы и наруше­ние всех веками установившихся цик­лов химических превращений на Земле. У различных биологических видов ко­личество присущей им энергии различ­но и является важнейшим видовым признаком.

Еще более существенная особен­ность живого вещества — его отличие от «косной» среды по пространственным и временным характеристикам. Живому веществу соответствуют особые, только ему присущие пространство и время. Поскольку в живом веществе время и пространство неразрывны, то жизнен­ное (биологическое) время проявляется

в трех процессах: во время индивиду­ального бытия, в смене поколений без изменения форм жизни, в эволюцион­ном процессе, меняющем форму орга­низмов одновременно со сменой поко­лений.

Время индивидуального бытия жи­вых организмов связано с неуклонно идущим процессом старения и смертью, имеющими положительное значение для эволюционного процесса, посколь­ку недолговечность живых существ обеспечивает не только длительный и непрерывный круговорот биогенного материала, но и значительную изменчи­вость морфологических форм.

С другой стороны, поскольку мине­ралы, образующиеся при участии живо­го вещества, одинаковы с архейского периода до настоящего времени, то жизнь, следовательно, менялась лишь морфологически, оставаясь достаточно постоянной по своим биогеохимичес­ким функциям. Жизнь уходит в такую глубь геологических веков, что даже ле­жащая ниже метаморфической геосфе­ры гранитная оболочка планеты цели­ком, по убеждению В. И. Вернадского, относится к области былых биосфер.

Поступающая на Землю солнечная энергия, как уже отмечалось, имеет низкий коэффициент использования. В процессе фотосинтеза 1 т органичес­кого вещества растениями усваивается 15910,6 тыс. кДж энергии и расходуется 2 т диоксида углерода, 250. ..400 кг мине­ральных веществ и 500...1000т воды. Это, разумеется, большие затраты. Кро­ме того, велики потери энергии при пе­реходе от одного трофического уровня к другому. Например, коэффициент ис­пользования энергии животными-фи­тофагами составляет в среднем 5...10 % энергии усваиваемой ими фитомассы (с колебаниями от 2 % у млекопитающих до 30 % у насекомых).

Естественно, что процесс возвраще­ния воды и питательных веществ в кру­говорот (рециркуляция) имеет для чело­вечества жизненно важное значение. Выделяют пять основных путей возвра­та веществ в круговорот: 1) через мик­робное разложение в детритный комп­лекс; 2) через экскременты животных (например, в экотипах, где животные активно выедают траву и фитопланк-

тон); 3) прямая передача от растения к растению микроорганизмами-симбион­тами; 4) в результате физических про­цессов, в том числе прямого действия солнечной энергии (например, элемен­ты осадочных пород выносятся из абио­тического резервуара и попадают в био­тические циклы); 5) за счет энергии топлива (например, при промышлен­ной фиксации азота).

Можно сравнивать размеры возврата веществ в круговорот для разных ком­понентов биосферы, используя коэф­фициент рециркуляции Финна (1976):

где С,—коэффициент рециркуляции; Т5Т_С — ре-циркулируемая доля потока вещества через сис­тему; Т5Т— общий поток вещества через систе­му.

Чем выше уровень иерархии, зани­маемый экосистемой, тем меньше поте­ри веществ (совершеннее замкнутость), которые достигают минимума в биосфе­ре. Разрушение стройной иерархичес­кой взаимозависимости отдельных сла­гаемых циркуляции веществ (биогенов) в биологическом круговороте и потоков энергии в биосфере — одна из главней­ших причин возможного серьезного экологического неблагополучия.

Воздействие человека на биосферу. Переход от собирательства к охоте, да­лее к земледелию и скотоводству явился началом аграрной революции, вызвав­шей глубокие изменения природной среды в результате использования энер­гии животных, воды и огня. Лесные и степные естественные экосистемы ис­кусственно стали превращаться в агро-экосистемы. Развитие земледелия (оро­шаемого и богарного) и животноводства привело в движение ранее отсутствовав­ший фактор воздействия на биосферу — антропогенный.

С ростом масштабов использования природных ресурсов, обусловленных промышленной революцией, антропо­генное влияние на биосферу и ее ком­поненты объективно увеличивается. За­кономерный и многосторонний про­цесс роста производительных сил суще­ственнейшим образом расширил спектр воздействия человека на природу (в том числе и негативного). Еще в 40-х гг.

83

XX в. В. И. Вернадский отмечал, что производственная деятельность челове­ка приобретает масштабы, сравнимые с геологическими преобразованиями. Так, к сведению лесов, распашке це­линных земель, эрозии и засолению почв, снижению биоразнообразия доба­вились новые постоянно действующие механические и физико-химические факторы, усугубляющие экологический риск.

Согласно различным оценкам, чело­век эксплуатирует уже более 55 % суши, использует около 13 % речных вод, ско­рость сведения лесов достигает 18 млн га в год. В результате горных и строи­тельных работ, опустынивания и засо­ления ежегодно утрачивается от 50 до 70 тыс. км² земель. При строительстве и горных работах перемещается более 4 тыс. км³ породы в год. Из недр Земли ежегодно извлекают 100 млрд т руды, сжигают 7 млрд т условного топлива, выплавляют более 800 млн т различных металлов, вносят свыше 500 млн т мине­ральных удобрений и более 4 млн т хи­мических средств защиты растений, около трети которых уносится поверх­ностными стоками в водоемы или за­держивается в атмосфере. По данным Всемирной организации здравоохране­ния (ВОЗ), в различных производствен­ных и бытовых целях используется до 500 тыс. химических соединений, из ко­торых около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. ток­сичны и т. д.

Становится ясно, что путь техноло­гической цивилизации, по которому че­ловечество уверенно шагало последние четыре века, ведет к тупиковой ситуа­ции.

Воздействие на биосферу сводится к четырем главным формам:

изменение структуры земной повер­хности (распашка степей, вырубка ле­сов, мелиорация, создание искусствен­ных озер и морей, другие изменения ре­жима поверхностных вод и т. д.);

изменения состава биосферы, круго­ворота и баланса слагающих ее веществ (изъятие полезных ископаемых, образо­вание отвалов, выброс различных ве­ществ в атмосферу и в водные объекты, изменение влагооборота);

изменение энергетического, в част-

84

ности теплового, баланса отдельных районов земного шара, опасное для всей планеты;

изменения, вносимые в биоту (сово­купность живых организмов) в резуль­тате истребления некоторых видов, со­здания новых пород животных и сортов растений, перемещения их на новые ме­ста обитания.

Рассматривая роль человека в эволю­ции биосферы, В. Л. Лапин, А. Г. Мар-тинсен и В. М. Попов (1996) таким об­разом характеризуют нарушение чело­веком основных принципов естествен­ного устройства биосферы.

1. Аккумулируя энергию в виде сложных органических соединений и рассеивая ее в виде тепла, природа со­здала эволюционно сложившийся теп­ловой баланс, который человек наруша­ет. Если автотрофные растения, с кото­рых начинается трансформация солнеч­ной энергии в живое вещество, преобразуют ее из рассеянного состоя­ния в концентрированное, синтезируя органическое вещество, в том числе и из запасников природы, то человек сжига­ет его, переводя энергию из концентри­рованного в рассеянное состояние. При добыче энергоресурсов человек разру­шает почвы, гибнет или деградирует ра­стительный покров, загрязняются вод­ные объекты и атмосфера, формируют­ся отвалы пород, что приводит, в част­ности, к подъему уровня грунтовых вод и появлению в окружающей местности контурного кольца из озер, болот и т. д.

2. Биогеохимические циклы биоген­ных элементов, участвующих в природ­ных круговоротах, отработаны эволю-иионно и не приводят к накоплению отходов. Человек же использует веще­ство планеты крайне неэффективно; при этом образуется огромное количе­ство отходов, многие из которых пере­водятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. В сферу хозяйственной деятельности вовлечены практически все химические элементы, а также огромное количество синтези­рованных человеком соединений. В ре­зультате биосфера «обогащается» не­свойственными ей соединениями, т. е. нарушается естественное соотношение химических элементов и веществ. Для

сравнительной оценки на рисунке 4.14 представлены упрощенные схемы кру­говоротов веществ в природе и хозяй­ственной деятельности человека. Ана­лиз схем подтверждает исключительно экономное использование вещества биосферы в природе. Человек же «копи­рует» природные круговороты с точнос­тью до наоборот. Лишь 1...2 % первич­ного сырья используется в круговоро­тах, а 98...99 % уходит в отходы.

3. При огромном многообразии ви­дов конкурентные и хищнические отно­шения между ними способствуют уста­новлению биологического равновесия. Исчезновение любого из видов — это не только безвозвратная потеря природно­го генофонда, но и снижение устойчи­вости отдельных экосистем и биосферы в целом как огромной и чрезвычайно сложной экосистемы. Путь человече­ства, к сожалению, отмечен гибелью многих представителей флоры и фауны. По некоторым данным, на Земле исчеза­ет ежедневно один биологический вид.

4. Деятельность людей привела к на­рушению популяционной стабильнос­ти. Растет количество сопутствующих человеку видов (крыс, тараканов и т. д.), а численность многих других популя­ций, напротив, сокращается, причем иногда в катастрофических размерах, что ставит вид под угрозу полного ис­чезновения.

5. Расширяя хозяйственную деятель­ность, люди в короткие сроки меняют параметры экологических факторов; многие виды не успевают приспосо­биться к таким быстрым изменениям. Хозяйственная деятельность человека приобретает такие масштабы, когда на­рушаются все основные принципы ес­тественного устройства биосферы: энергетический баланс, сложившийся круговорот веществ, многообразие ви­дов и биологических сообществ, попу-ляционная стабильность и приспособ­ленность живых организмов к среде обитания.

Влияние человека на биосферу отра­жено на рисунке 4.15. Значительный интерес для понимания причинно-следственных связей, осмысления воз­можных последствий антропогенных воздействий на биосферу представляет содержательная схема, разработанная Ю.А. Израэлем (1984), приведенная в таблице 4.2.

Комплекс антропогенных факторов, влияющих на состояние биосферы, на здоровье населения, исключительно разнообразен. Антропогенные воздей­ствия обусловливают изменения основ­ных элементов биосферы, многие гео­физические и экологические наруше­ния, что в конечном итоге непосред­ственно или опосредованно сказыва­ется на здоровье и благосостоянии на-

Рис. 4.14. Упрощенные схемы круговорота веществ:

85

а — в природе; б — в хозяйственной деятельности человека (Лапин и др., 1996)