3. Окружающая среда, фундаментальные понятия, проблемы и аспекты изучения

Жизнь живых организмов, в том числе и человека, невозможна без окружающей среды, без природы. Человеку свойственен обмен веществ с окружающей средой, который является основным условием существования любого живого организма.

Человек, как живое существо, и человеческий род, как совокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и экосферы.

Природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества.

Наука, изучающая взаимоотношения живых организмов, а также их естественных и искусственных групп с окружающей средой обитания, называется экология.

Впервые это определение дал немецкий биолог Эрнест Геккель в 1869 году. Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает дом, и «логос» — наука.

По сути дела это наука о структуре и функции биосферы, в рамках которой происходит обмен веществом, энергией и информацией по законам самоорганизации. Наконец, это наука о взаимоотношениях самого человека и среды обитания во всем многообразии их связей, наука, определяющая уровень предельно допустимого давления человека на окружающую природную среду, за которым она уже не в силах восстанавливать свои качества. Это наука о сбалансированном сосуществовании человека и окружающей природной среды, когда хозяйственная деятельность человека должна вписываться в условия сохранения ассимиляционной функции природы.

В этой связи под экологической ситуацией понимается состояние экологии относительно законов природы и экологических целей жизнедеятельности человека.

Впервые понятие биосфера ввел в биологии Ж. Ламарк, а в геологии — Э. Зюсс. В.И. Вернадский является отечественным основоположником учения о биосфере. Он рассматривал

биосферу (греч. био — жизнь, сфера — шар) как геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса, как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе человека, проявляется через геохимический фактор планетарного масштаба.

Биосфера является оболочкой Земли, включающей как область распространения живого вещества, так и само это вещество.

В биосферу входят:

• нижняя часть атмосферы, состоящая из тропосферы и нижней части стратосферы, высотой до 15-20 км;

• гидросфера, где наблюдается жизнь ниже глубины Мирового океана на 1-2 км;

• литосфера — верхняя часть оболочки Земли глубиной до 4,5 км.

Биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом вещества и энергии.

Развитие биосферы определяется потоком энергии, доминирующим источником которой является Солнце.

В биосфере энергия солнечного излучения расходуется, трансформируется, связывается. Накопителями энергии являются органические вещества.

Составные части биосферы можно условно разделить на живую и неживую природу.

Ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом существования всего органического и неорганического мира.

Количество биомассы живого вещества имеет тенденцию к определенному постоянству. Наблюдается примерное планетарное равновесие между продукцией живого вещества и его разложением.

Дисбаланс в этот процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может не только быть соизмерима с катастрофически развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.

Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Однако энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.

Термин «экологическая система», или «экосистема», предложен английским ученым А. Тенсли.

Каждое сообщество организмов, называемое биоценозом, представляет собой высокий уровень организаций взаимных отношений и связей между отдельными особями.

Но любой биоценоз развивается на неорганическом или органическом субстрате (биотопе), который характеризуется своими физико-химическими параметрами.

Совокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозов) образуют экосистему, т. е.:

Экосистема —> Биотоп + Биоценоз

В реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, т.к. часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, запасы их давно бы исчерпались и жизнь прекратилась.

В целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему — «биосферу», в которой круговорот веществ проявляется в полной мере.

В каждой экосистеме часть приходящей энергии, попадающей в трофическую цепь, накапливается в виде органических соединений. При этом различают первичную и вторичную продукцию.

• Первичная продукция — количество органического вещества, выработанного автотрофами (растениями, способными осуществлять фотосинтез, использующими минеральное вещество для синтеза биохимических субстанций).

• Вторичная продукция — количество органического вещества, выработанного гетеротрофами за счет автотрофов на уровне консументов и деструкторов.

Продуктивность биосферы по одним оценкам достигает 164 млрд. тонн сухого органического вещества в год. По другим оценкам— 83 млрд. тонн в год: 30 — для океанов и 53 — для наземных биомов.

Хотя океан и покрывает 0,7 общей поверхности Земли, его вклад в производство чистой продукции составляет лишь 40 %. Леса, занимающие лишь 0,1 часть площади материков, фиксируют почти половину общей энергии его продуцентами.

Культивируемые земли обладают высокой первичной продуктивностью. Но она несоизмерима с общей первичной продуктивностью леса. Высокая чистая первичная продуктивность, полученная агрономами, не означает прогресса в использовании фотосинтеза.

Потеря объема биомассы при вторичной продуктивности связана с колоссальными затратами энергии на дыхание, мышечную энергию, передвижение и т. д. Чем больше длина пищевой цепи, тем меньше вторичная продуктивность. Например, на производство 1 кг говядины требуется 80 кг травы, а для производства 1 кг форели потребуется 5 кг мяса.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

• Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования.

• Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

а) продуценты — автотрофные организмы и зеленые растения, которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород;

б) консументы — гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных и друг друга. Они, в свою очередь, подразделяются на:

— консументы 1 порядка — животные, питающиеся растениями, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ;

— консументы 2 порядка — хищники и паразиты растительных организмов;

— консументы 3 и 4 порядка — сверхпаразиты;

в) редуценты — организмы, питающиеся организмами, бактериями и грибками.

Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, осушение болот, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнения приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышленных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов.

Скорость круговорота биогенных элементов достаточно высока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода — в 2500 лет.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием. Это равновесие динамичное и подвижное.

В.И. Вернадский подчеркивал, что человечество становится мощной геологической силой, способной производить глобальные изменения на Земле. В связи с этим биосфера как область активной жизни превращается в ноосферу — сферу разума.

До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов:

• солнечная радиация,

• сила гравитации,

• тектонические силы,

• химическая энергия,

• биогенная энергия.

Эти пять факторов развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.

• в настоящее время появился новый фактор — энергия мирового производства (развивается не по геологической, а по исторической шкале времени; от организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере).

Человек, как живое существо, и человеческий вид, как совокупность индивидов, подчиняется законам экосистемы и биосферы.

Специфика экосистемы «человек — окружающая среда» определяется

• во-первых, физическими и биологическими факторами,

• во-вторых, социально-экономическими условиями, которые по мере развития общества приобретают все большее значение в отношениях человека и природы.

В настоящее время выделяют два типа обмена веществ и энергии:

• биологический обмен веществ и энергии между человеком и природой (сохранился как и других животных, природа остается постоянным условием жизни человека и развития общества).

• антропогенным, или социальным обменом веществ и энергии (новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом; возник в результате производственной деятельности; носит техногенный характер; существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его).

Его характерные черты и отличия от биотического круговорота:

• незамкнут и носит открытый характер: на входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы.

• экологически несовершенен: коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства ухудшают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния.

В период научно-технического процесса, как в мире, так и в России, масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные напряжения в биосфере.

Взаимоотношения общества и природы характеризуются определенными закономерностями.

На современном этапе исторического развития сложились две формы взаимодействия общества и природы:

• экономическая форма — потребление ресурсов природы, то есть использование их для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей.

• экологическая форма — охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания.

Существует два аспекта взаимоотношения общества с природой:

• возрастание научно-технической мощи;

• направление изменений природы повседневной деятельностью человечества (зависит от способов производства и общественных систем).

В науке существует один из важнейших принципов – принцип совместной коэволюции общества и природы – параллельная, совместная эволюция или историческая адаптация природы и человечества, необходимость гармоничного совместного развития человечества и биосферы (на основе теории ноосферы Вернадского).