Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы промышленной экологии. Курс лекций
.pdf
Микробы и вирусы были всегда, но соответствующие болезни получили широкое распространение только в последние века. Это, конечно, связано и с успехами медицины, с применением сильнодействующих фармакологических средств, вычищающих внутреннюю среду организма от всяких микробов. Но природа не терпит пустоты и
освободившиеся места занимают другие микробы из внешней среды, и
они могут оказаться болезнетворными. Таким образом, мы приходим к
понятию «микробиологическая броня», которая покрывает все внешние и внутренние поверхности здорового организма, живущего в здоровой, естественной среде – это развитые микробоценозы, куда чужаку в буквальном смысле слова «палец нельзя сунуть».
Это вовсе не означает, что лекарства нельзя применять вообще, их
надо применять обоснованно и умеренно, что на самом деле бывает
редко. Обычным является необоснованная передозировка. Кроме того, организм быстро привыкает к лекарствам и вскоре приходится увеличивать дозу, чтобы добиться желаемого успеха. Не исключено, что
чумные, оспенные и прочие эпидемии, охватившие Европу 200–300 лет
назад, были связаны с применением в медицине первых эффективных
(именно эффективных!) химических препаратов.
Обратим также внимание на то, что жизненный цикл микроорганизмов существенно короче продолжительности жизни животных и
человека, иногда период между последовательными делениями клеток составляет порядок минут. Если, допустим, он равен 6 мин, то за
сутки пройдет 240 поколений какого-то микроба. Человеку, чтобы
пройти такой эволюционный интервал требуется 30 лет × 240 поколений = 7200 лет! А генетический механизм наследственности у нас
и у микробов один и тот же – все та же ДНК. А если учесть, что индивидуальная смерть микроорганизма несущественна, лишь бы популяция процветала, то становится ясным, что изменчивость, пластичность, иными словами, живучесть и приспособляемость микроорганизмов чудовищны. Никакой химией уничтожить их невозможно – это стало ясно в последние десятилетия. Именно поэтому чуть
ли не ежегодно появляются новые разновидности гриппа, это новые
микроорганизмы, которых раньше не было, это мутанты и, что существенно, мутанты жизнеспособные.
Необходимо отдельно говорить о техногенном воздействии на
иммунную систему человека, что осознано в последние годы. Иммунная система – это аптека организма, вырабатывающая лекарства
и антитела для лечения различных патологий. Под воздействием
суммы техногенных факторов, а также вследствие перегрузки она
11
начинает отказывать – это и есть СПИД, после чего человек может
умереть от любого пустяка. Раньше этого не было. Это типично техногенное новое явление. Первобытный человек мог умереть от тысячи причин, погибнуть от большого числа событий и ситуаций, но
иммунная система у него, скорее всего, была прекрасная, о которой
современный человек может только мечтать.
Вскрытие геологических структур осуществляется в основном в ре-
зультате бурения, имеющего массовый характер. При этом вскрываются в полном смысле запечатанные герметично нижележащие слои
литосферы и уже до глубин в 12 км (Кольская сверхглубокая). В результате в ходе нефтеразведки и нефтедобычи наземные микроорганизмы получают доступ в нижележащие слои, где их раньше не было,
и начинаются грандиозные по своим масштабам процессы разложения
нефтей этими микроорганизмами, что сопровождается выделением из
скважин метана. В итоге из скважины берется всего около 30 % легкодоступной нефти, остальная нефть сорбирована на субстрате и чтобы
ее «выцарапать» оттуда, требуется большая энергия, что невыгодно.
Чтобы метан из брошенных скважин не накапливался, его поджигают.
Многие тысячи факелов горят по стране годы и десятилетия.
Световое загрязнение осознано буквально несколько лет назад.
Накоплен большой банк фактов и свидетельств, и сейчас уже можно
говорить об этом новом виде загрязнения окружающей среды, который особенно вреден и опасен для птиц и насекомых. Последние
просто сгорают на каждом фонаре, как на жаровне, и масштабы этого
процесса уже должны нас тревожить. Громадные световые поля городов (рис. 1.4) и промышленных центров нарушают пути миграции
и ориентировку птиц при перелетах, делают совершенно невозможной жизнь и охоту ночных животных, сокращают местообитания. И в
этом вопросе должен быть наведен порядок и установлены допустимые нормативы. Эта работа начинается.
Парниковый эффект обусловлен тем, что земная атмосфера имеет
всего два узких канала пропускания солнечного света в голубой области спектра. Именно по этой причине наше небо имеет голубой
цвет. При отражении длина волны меняется, так как часть энергии
Е = hν, где h – постоянная Планка, поглощается и обратно от Земли
уходит уже волна другой длины, в окно прозрачности атмосферы не
попадающая. Также происходит в парниках, откуда и взялось название.
12
Рис. 1.4
13
Изменение климата происходит не только вследствие парниково-
-
р
у
р
х
го эффекта, работает еще много факторов в системах атмосфера –
океан и атмосфера – суша.
Загрязнение космического пространства проявилось в последние го-
ды и превратилось уже в реальную угрозу и помеху полетам коммерческих и обитаемых аппаратов. По разным оценкам в настоящее время в
околоземном пространстве находится от 4 до 17 тыс. объектов, большая
часть которых представляет собой обломки и детали, а также отработанные ступени космических ракет и аппаратов. Зафиксирован случай
гибели коммерческого спутника при столкновении с космическим мусором. Начали строить легкую внешнюю оболочку обитаемых спутников для защиты от столкновения с мелкими частицами, иными словами,
мы уже платим за загрязнение космического пространства.
Теперь мы можем сформулировать основной принцип охраны ок-
ружающей среды.
Если на каждое техногенное воздействие мы сможем обосно
вать численно допустимый норматив, тогда все без исключения
п
облемы охраны окружающей среды получат перспектив
ешения и дальнейшее развитие мирового сообщества в рамка
этих нормативов будет возможным.
Подчеркнем, не «будут решены», а «получат перспективу реше-
ния», поскольку решение экологических природоохранных проблем
уже выходит за рамки науки, это прерогатива экономики, политики,
права. Таким образом, нормирование техногенных воздействий на человека, на природные экосистемы и глобально на биосферу Земли есть
единственно возможный путь преодоления экологического кризиса.
Несмотря на очевидность и даже тривиальность такого вывода,
мы еще можем услышать с экранов телевизоров и прочитать на страницах печати абсолютно ненаучные, невежественные суждения о
возможности переселения человечества на другие планеты, в какието «сферы Дайсона», на дно океанов и т.д. и т.п. В интересах эксперимента, при громадной поддержке с Земли (одна минута пребывания американских космонавтов на Луне стоила 30 000 долл.), для нескольких человек или даже для постоянно действующей базы на Луне и планетах это вполне возможно, но не для человечества в целом.
Для человечества на Земле никакой альтернативы нормированию
техногенных воздействий не существует. А остановить прогресс, даже если бы мы этого захотели, вряд ли возможно, хотя опыт Китая по
сокращению, вернее, снижению скорости прироста населения можно
признать удавшимся.
14
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Главное понятие окружающая среда является весьма неопреде-
ленным. Например, институтская аудитория с ее температурой, давлением, влажностью, освещенностью, химическим и бактериальным
составом воздуха, уровнем радиации, которая в каждую данную минуту пронизывает наши тела, и т.д. – это, конечно же, окружающая
среда, непосредственно воздействующая на нас. Но и двор института
с его температурой, влажностью, выхлопом автомобилей и фитонцидами деревьев и т.д. также непосредственно воздействует на нас и
также является нашей окружающей средой. Район города, город целиком, всегда нагретый чуть больше окружающей сельской местности, область, регион со своими особенностями климата, европейская
территория России, Евразия, биосфера Земли, околоземное пространство – все это окружающая среда, параметры которой непрерывно воздействуют на нас. В частности, радиационные пояса Земли,
имеющие достаточно сложную структуру, защищают нас от жесткого корпускулярного излучения Солнца (рис. 2.1). Заряженные частицы солнечного ветра и частицы космического излучения, достигая
области магнитного поля Земли, «наматываются» по правилу буравчика на магнитные силовые линии и движутся вдоль них от полюса к
полюсу, не достигая поверхности планеты. Этот так называемый
электромагнитный экран защищает все живое на Земле, мы эво- люционно адаптированы к нему и без него не можем нормально жить.
N
S
Рис. 2.1
15
Вот почему загрязнение околоземного космического пространства
должно нас интересовать и озабочивать, так же как и целостность
кислородного экрана атмосферы, о чем теперь всем хорошо известно. Кстати, нарушение (сокращение) кислородного экрана, ставшее
регулярным в последние 20 лет, означает, что наше, казалось бы,
привычное Солнце стало другим, более жестким, иными словами,
загорать в наше время стало небезопасно, уровень рака кожи и повреждения глаз достоверно возрос.
Но и вся Солнечная система непосредственно воздействует на нас.
В последнее время доказаны тесные связи магнитосфер Земли и Юпитера – это по существу одна система, а значит, процессы на Юпитере
также имеют непосредственное отношение к условиям нашего обитания на Земле. Гелиобиология, основанная в 20-е годы А. Л. Чижевским, однозначно показала, что биосфера Земли дышит синхронно с
Солнцем, и это непосредственно отражается на здоровье людей.
Солнце – это наша окружающая среда. Так где же пределы? Повидимому, их нет. Весь космос – это наша окружающая среда, ведь
космические лучи из его глубин пронизывают нас каждую минуту.
Более подробно и обстоятельно эти аспекты рассматриваются в
курсе «Науки о Земле».
Здесь только хотелось бы обратить внимание на одно обстоятель-
ство. Несмотря на кажущуюся повторяемость в ежегодном движении
Земли вокруг Солнца, мы должны помнить, что само Солнце движется в Галактике по сложной траектории и сама Галактика тоже не стоит на месте (рис. 2.2),
иными словами, Земля в своем сложном
совокупном движении никогда не возвращается в уже пройденные точки пространства; ее путь неповторим и каждую минуту нов. Конечно, исходя из господствующего в науке принципа актуализма, мы
предполагаем, что пространство всегда и
всюду было и остается одинаковым, хотя,
строго говоря, это не факт.
Термин экология ввел в 1866 г. немец-
Рис. 2.2
кий биолог Э. Геккель, определивший ее
как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде».
Центральное понятие экосистема ввел в 1935 г. английский ботаник
А. Тэнсли. В различных учебниках экологии определение экосисте-
16
мы слегка разнится, группируясь вокруг представления, которое (не
строго) можно сформулировать как «совокупность живых организмов, взаимодействующих друг с другом и со средой своего обитания
на определенной территории».
Термин биоценоз как синоним сопокупности живых организмов
ввел в 1877 г. австрийский математик А.Ф. Мебиус и просуществовал
он до 1940 г., когда В.Н. Сукачев (1880–1967) в серии своих блестящих
статей обобщил его в понятие биогеоценоз и положил начало научному
направлению биогеоценология. По В.Н. Сукачеву, «биогеоценоз – это
совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности,
животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических
условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая
собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном
движении, развитии» (цитируется по работе: Работнов Т.А. Фитоценология. М.: МГУ, 1978. С. 6). Определение, логически точное и полное,
однако неудобопроизносимое и потому нереальное для употребления.
Попробуем сказать покороче и раскроем «особую специфику взаимодействия» через круговорот веществ в природе.
Биогеоценоз – это совокупность живых организмов вместе со
средой их обитания, завершающая кругооборот веществ на определенной территории.
И есть еще третье направление в системе наук об окружающей среде –
теория биосферы. Термин биосфера ввел в 1879 г. австрийский геолог
Э. Зюсс, и он просуществовал в науке до 1926 г., когда В.И. Вернадский
опубликовал свой первый очерк по теории биосферы Земли, которую
он затем развивал до своей кончины в 1945 г. В.И. Вернадский определил биосферу как «пространство, охваченное жизнью». Современные исследователи уточняют: «Биосфера – пространство, в котором
живые организмы осуществляют свой активный метаболизм» (Шипунов Ф.Я. Организованность биосферы. М.: Наука, 1978).
Рассмотрим соотношение этих понятий.
Понятие экосистемы не содержит масштабного фактора, экосистемой может быть лес, луг, болото, поле, опушка леса, заросшая
растительностью лужа на старой лесной дороге, пень, поверхность
стола в аудитории, наконец, на которой имеется какой-то микробоценоз – все это различные экосистемы.
17
В отличие от экосистемы биогеоценоз имеет конкретный размер,
он виден на глаз по господствующему виду растительности, который
в этом случае называют эдификатором, например, березняк, моховое, болото, дубрава и т.д. (значит, эдификаторы – береза, мох сфагнум, дуб). Именно поэтому биогеоценоз можно измерить, узнать,
сколько в нем кубических метров древесины, каково число видов
мохово-лишайникового или травяно-кустарничкового яруса, можно
оценить запас гумуса, биомассу листвы или хвои и других параметров, заложить эти цифры в модель, навести статистику и т.д.
Соотношение между экосистемой и биогеоценозом можно опре-
делить как:
Биогеоценоз = экосистема в пределах фитоценоза
Другим важным свойством биогеоценоза является то, что если мы
разделим биосферу Земли на биогеоценозы, то в остатке ничего не
останется. Биогеоценоз – это как бы мини-биосфера, в которой завершаются все биосферные процессы, и мы можем написать практически математическую формулу:
Сумма биогеоценозов = биосфера Земли
Из сказанного ясно, что понятие биогеоценоза более конструк-
тивно и плодотворно. Большинство исследователей именно им и
пользуются, хотя чаще говорят «экосистема» – этот термин более
прост, удобопроизносим и исторически прижился. Известно, что его
величеству живому языку ничего приказать невозможно, ибо он
«вморожен» в миллионы умов, контрольным тут всегда остается вопрос о завершенности круговорота веществ.
Экология получила толчок в своем развитии в 20-е годы прошлого
века работами итальянского математика В. Вольтерра (1860–1940),
исследовавшего модели «хищник – жертва». Однако проблемы охраны окружающей среды, осознанные в середине ХХ века, так и не вошли в сферу ответственности этой старой, университетской экологии. Это направление экологических наук до сих пор занимается в
основном математическим моделированием, в том числе и моделями
Вольтерра, стало формализованным и осталось далеким от насущных
проблем защиты окружающей среды. Назовем его условно класси-
ческой экологией, намекая на то, что есть еще практические направления экологических наук, такие как биогеоценология и теория
биосферы, решающие эти самые насущные задачи. Разумеется, мы
далеки от утверждения, что классическая, университетская экология
бесполезна и ее не нужно развивать, но судьбы мира решаются ныне
на других научных направлениях.
18
Интересно, что теория биосферы, не говоря уже о более молодой
биогеоценологии, не получила развития на Западе, в Европе и США,
при том, что первая публикация В.И. Вернадского по теории биосферы в 1926 г. была на французском языке. Трудно предположить, что
эти научные направления западным ученым неизвестны. Дело, повидимому, в более глубоких, может быть фундаментальных, различиях в мышлении, языке, культуре Европы и России. Так или иначе,
но биогеоценология, теория биосферы, как раньше почвоведение
В.В. Докучаева, до сих пор не вошли в научное сознание Запада.
Может быть, поэтому наши специалисты – биологи, почвоведы, экологи – имеют такой огромный успех за рубежом?
Итак, круговорот веществ (рис. 2.3). Он
осуществляется всей суммой живых организмов, которых в этом аспекте делят на продуцентов, консументов и редуцентов. Продуценты
(П), в основном зеленые растения, производят
из химических элементов литосферы, гидросферы и атмосферы первичную биологическую
продукцию в процессе фотосинтеза, согласно
соотношению
1,47 т 0,6 т 1 т 1,07 т
+ 6Н2О + 692 ккал = С6Н12О6 + 6О
6СО
2
.
2
Рис. 2.3
Написав это соотношение, мы практически
не написали ничего, так как реакция идет только при солнечном свете. Механизм фотосинтеза нам неизвестен, хотя в системе РАН уже
свыше 50 лет работает Институт фотосинтеза, работы ведутся и за
рубежом. По-видимому, пока не будет расшифрована структура фотона, к чему весьма близка новая эфиродинамика, эта проблема не
будет решена.
Первичная биологическая продукция потребляется и перераспределяется консументами (to consume – потреблять). Первичными
консументами, или консументами первого порядка, К
являются рас-
1
тительноядные животные. Растительноядных едят хищные, являющиеся консументами второго порядка, К
сументы третьего К
и последующих порядков, высшим консумен-
3
, этих последних едят кон-
2
том, который ест всех, является человек.
Эта последовательность питания именуется трофической цепоч-
кой; число звеньев ее может быть весьма велико.
Отмирающие растения и животные (и их экскременты) разлагаются редуцентами (to reduce – понижать, сокращать, ослаблять), ко-
19
торых также насчитывается несколько порядков. Редуценты первого
порядка Р
– это черви, жуки, клопы, тараканы, ногохвостки Hylopoda
1
(которых дети называют «сороконожками»), муравьи и прочие насекомые, которые видны невооруженным глазом. Они объединяются
под общим названием мезофауна. Их трупы и экскременты являются
пищей редуцентов второго порядка Р
, каковыми являются два об-
2
ширных класса почвенных клещей и коллембол. Фауна клещей и
коллембол насчитывает тысячи видов, которые видны уже только под
микроскопом. Значение деятельности этих животных, о существовании которых большинство людей даже не подозревает, огромно. Образование гумуса почв, этой основы плодородия, без них невозможно.
Некоторое представление о них дают изображения на рис. 2.4.
Третий уровень разложения обеспечивают почвенные водоросли,
или альгофлора, также громадные по своему разнообразию классы
живых существ – микроорганизмов, многоклеточных и одноклеточных.
В результате деятельности редуцентов круговорот веществ за-
вершается, но он не возвращается в начальную точку (иначе все это
было бы бессмысленно); круг не замкнут. Итогом круговорота веществ является образование гумуса почв, являющегося сложнейшим
биологически активным химическим соединением, вернее, суммой
большого числа сложнейших соединений с молекулярными весами в
десятки тысяч единиц, среди которых выделяют как важнейшие
классы гумидных и фульвокислот. Полный химический состав гумуса не установлен, хотя на Почвенном факультете МГУ многие годы
работает специальный семинар по гумусу. Есть даже мнение, что гумус так же сложен, как ДНК, что в нем заключена вся информация,
накопленная за весь период эволюции биосферы, что дало основание
называть почву зеркалом ландшафта, а почвоведение генетическим.
Но не только гумус образуется в результате круговорота веществ
в природе. Кроме первичной биологической продукции реакция фотосинтеза дает кислород, и этот процесс является единственным поставщиком кислорода атмосферы. Никакого другого кислорода в
нашем распоряжении не имеется. Всяческие (довольно распространенные) домыслы о добыче кислорода из горных пород, о возможности создания искусственной атмосферы нереальны. Да, в горных по-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]