Тема 4. Биосфера и человек

4.1. Понятие о биосфере. Состав и свойства биосферы

Определение «биосфера» впервые было введено австрийским геологом Э. Зюcсом в 1875 г. Более

60 лет назад выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский (1863–1945) разработал учение

о биосфере – оболочке Земли, населенной живыми организмами, а также среде их обитания.

В составе биосферы различают:

• живое вещество, образованное совокупностью организмов;

• биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы

атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

• косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава

вулканов, метеориты);

16

• биокостное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности

организмов и абиогенных процессов (почвы).

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в том, что изменения и процессы в

живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики

изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах геологического

времени.

Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам

лет исторического.

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов:

• развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических

преобразований;

• биологической эволюции живых организмов;

• развитием человеческого общества.

В.И. Вернадский определил биосферу, как термодинамическую оболочку с температурой от +50°С

до –50°С и давлением около 1 атм.

Границы биосферы определяются факторами земной среды:

• верхняя граница проходит на высоте 20 км и отграничена слоем озона;

• в гидросфере организмы проникают на глубину Мирового океана – до 10–11 км;

• в литосфере жизнь встречается на глубине 3,5–7,5 км.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов.

Академик В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства

бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

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. В течение длительного времени эти напластования возвращаются на сушу,

и процесс начинается вновь.

Малый круговорот – часть большого. Питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются

в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них. Продукты распада

органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов,

доступных растениям.

Возврат химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы

в неорганическую, с использованием солнечной энергии и химических реакций, называется

биохимическим циклом.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости

процессов. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием, но это

равновесие подвижное и динамичное. Устойчивость экосистемы обусловлена тем, что отходы одних

организмов становятся пищей или сырьем для других. В сбалансированных экосистемах отходы не

накапливаются до уровня, вызывающего неблагоприятные изменения, а разлагаются и рециклизуются.

Если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, запасы бы давно исчерпались

и жизнь прекратилась.

В круговороте веществ участвуют три группы организмов:

• продуценты (производители) – автотрофные (простейшие) организмы и зеленые растения,

которые, используя солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества.

Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород;

• консументы (потребители) – гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных

и друг друга;

• редуценты (восстановители) – организмы, питающиеся организмами, бактериями и

грибками.

В биосфере самый необходимый элемент – углерод, а потому вся она состоит из соединений

углеводородов. Он оказывался под землей в пластах каменного угля, в скоплениях нефти. Огромные

количества его бездействовали и не включались в планетарный круговорот. Средняя продолжительность

общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных в биологический круговорот,

300–400 лет. Соотношения углекислого газа и кислорода являются сильными регуляторами

глобального климата. Повышение доли углекислоты и снижение кислорода ведут к повышению

температуры на планете. Увеличение же кислорода и уменьшение углекислого газа приводит к

противоположному результату, общая температура на планете снижается.

17

В биосфере энергия солнечного излучения расходуется, трансформируется, связывается. До

появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов: солнечная

радиация, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия (окислительно-восстановительные

процессы) и биогенная энергия (фотосинтез у растений, хемосинтез у бактерий). Эти

факторы развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд лет сформировали природную

среду. Человек, вскоре после своего появления, начал интенсифицировать планетарный круговорот

углерода. Эта его роль стала весьма значимой в планетарном масштабе.

4.2. Влияние человека на окружающую среду

Многие, особенно примитивные, формы жизни легко приспосабливаются к изменившимся

условиям. Подавляющему же числу сложных организмов новая среда не годится. Современный

человек предпочитает не изменяться в соответствии c условиями среды, а изменять сами эти условия.

Все виды воздействия человека на биосферу можно свести к процессу освоения энергии. Академик

Г.Н. Алексеев (1989 г.) весь процесс освоения энергии человеком делит на ряд этапов.

Первый этап – собственно мускульной энергии. Он наиболее длительный в истории человечества,

охватывает время от первобытных людей до V–VII вв. Это был период собирательства и охоты, когда

человек зависел от ресурсов биосферы. С овладения огнем и переходом к земледелию началось

выжигание лесных участков для полей, т.е. впервые человек занялся извлечением законсервированного

углерода и возвращением его в атмосферу.

Земледелие и скотоводство позволили части населения накапливать запасы, создавать излишки

продовольствия. Это вело к расслоению людей в материальном отношении, т.е. зависимости одних

от других.

Второй этап (VII–XVII вв.) отмечен использованием энергии движущихся воды и ветра, что связано

с рядом технических сооружений в процессе коллективного труда.

Третий этап (с XVIII до начала XX в.) характеризуется широким использованием «движущей

силы огня» – веком пара. Источником энергии является химическая энергия топлива, накопленного

в былых биосферах: каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев. Начались их поиски и разработки.

Заработали металлоплавильные заводы.

Четвертый этап (от начала ХХ в.) знаменуется широким использованием электричества.

Пятый этап в развитии энергетики – это использование ядерной энергии.

В результате активной производственной деятельности возник новый процесс обмена веществ и

энергии между природой и обществом. Этот обмен носит техногенный характер и называется

антропогенным. Он существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя

его, и отличается от биологического круговорота незамкнутостью цикла, т.е. носит открытый

характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе – производственные

и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается

в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов чрезвычайно низок.

Подсчитано, из общего количества добытого сырья 98% уходит в отходы и лишь 2% – на полезный

продукт. Если в начале ХХ в. человечество еще не подозревало о нарастающих противоречиях, то

конец ХХ в. характеризуется напряженным взаимоотношением человеческого общества и природы.

Оно вызвано:

• неуклонным ростом населения Земли;

• сохранением традиционных способов хозяйствования при нарастающих темпах расходования

природных ресурсов;

• загрязнением окружающей среды отходами производства;

• ограниченными возможностями биосферы нейтрализации этих отходов.

Эти противоречия начинают тормозить дальнейший научно-технический прогресс человечества,

это тупик в развитии цивилизации и эволюции самого человека.

Понимание прошлого – важнейший компонент предвидения будущего. Мы должны знать

закономерности эволюции, чтобы давать обоснованные прогнозы на ближнее и далекое будущее.

С философской и экономической точек зрения главной причиной ухудшения экологической

инфраструктуры среды обитания человека следует считать процессы резкого расхождения интересов

технократических и «интересов» развития природы, как первоосновы родовой сущности человека.

С учетом масштабов варварского истребления полезных ископаемых, а также выбросов

несметного количества промышленных отходов без преувеличения можно сказать, мы уже живем в

долг у нашего будущего поколения.

18

Человечество в своем развитии все больше превращается в основную геологообразующую силу.

Поэтому вся наша планета, как и наша страна, находится на пороге неизвестности и непредсказуемости.

Нарушилось естественное равновесие природных циклов. Антропогенная нагрузка на

биосферу близка к критической. Человек подошел к пределу, который нельзя переступить ни при

каких обстоятельствах. Один неосторожный шаг – и человечество сорвется в пропасть. При этом

глобальная экологическая катастрофа может подкрасться совсем незаметно, внезапно, и действия

людей уже не смогут ничего изменить. Каждый человек должен осознать: пока он не почувствует

себя частью природы, разрушительное действие ее будет продолжаться. У нас нет в запасе тех тысяч

и миллионов лет, которыми располагает природа.

Биосфера является не просто источником ресурсов для человека и приемником отходов его

производства и жизнедеятельности – это гораздо более сложная система, фундамент жизни,

обеспечивающий стабильность окружающей среды. По существу, мы уже как бы переселились на

другую, более жестокую планету, лишь внешне похожую на Землю, где миллионы лет формировался

наш организм. Адаптационные системы организма оказались беззащитными перед новыми видами

биологической агрессии. Зачастую люди не понимают истинных причин своего недомогания.

Известно, что здоровье человека всего на 10–14% зависит от качества здравоохранения и на 17–20%

определяется качеством окружающей среды (остальное определяет наследственный фактор).

Четыре столетия назад Джордано Бруно мудро заметил: «Если хочешь изменить мир вокруг,

прежде изменись сам».

Воздействие человека на природу бывает:

• разрушительным (деструктивным) – человеческая деятельность ведет к утрате природной

средой своих полезных человеку качеств;

• стабилизирующим – человеческая деятельность направлена на замедление разрушения

природной среды;

• конструктивным – человеческая деятельность направлена на восстановление природной

среды;

• прямым (непосредственным) – результат прямого воздействия хозяйственной деятельности

человека;

• косвенным (опосредованным) – изменение природы в результате цепных реакций или

вторичных явлений, связанных с хозяйственной деятельностью человека;

• непреднамеренным – неосознанным, когда человек не предполагает последствий своей

деятельности;

• преднамеренным – осознанным, когда человек ожидает определенные результаты своей

деятельности.

Среди природных богатств планеты различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.

• исчерпаемые делятся на возобновляемые (растительный и животный мир) и невозобновляемые

(полезные ископаемые);

• неисчерпаемые ресурсы подразделяются на космические (энергия солнца), климатические

(сила ветра), водные (морские приливы, геотермальные источники).

4.3. Техногенные и природные опасности и ЧС экологического характера

«Человечество не может делать все, что заблагорассудится. Оно ограничено в своих действиях,

ибо человеческая история – не сумма случайностей. В основных своих чертах она закономерна и

направлена» (В.И. Вернадский).

Различают два основных вида загрязнений природной среды: естественное (извержения вулканов,

лесные пожары, выветривания почв и др.) и антропогенное (результат деятельности человека).

Виды антропогенных загрязнений биосферы:

• ингредиентное – поступление в биосферу чуждых ей веществ (стекло, пластмассы и др., т.е.

то, что не разлагается);

• энергетическое – шумовое, тепловое, световое, электромагнитное, радиационное;

• деструкционное – вырубка лесов, карьерные разработки, дорожное строительство, осушение

земель и др.;

• биоценотическое – заключается в воздействии на состав, структуру и вид популяции живых

организмов (вирусы, грибки, риккетсии и др.).

19

Глобальными рукотворными экологическими проблемами сегодня являются:

• потепление климата вследствие возможного наступления так называемого парникового

эффекта;

• ускорение процесса подъема уровня Мирового океана;

• истощение озонового слоя атмосферы;

• интенсивное опустынивание и обезлесение больших территорий;

• интенсивное загрязнение Мирового океана.

Зоны чрезвычайной экологической ситуации – это территории, где:

• происходят устойчивые отрицательные изменения природной среды;

• нарушается генетический фонд растений и животных.

Зоны экологического бедствия – это территории, где происходит:

• глубокое необратимое изменение окружающей природной среды;

• ухудшение здоровья населения;

• нарушение природного равновесия;

• деградация флоры и фауны.

По последствиям экологическая обстановка классифицируется как:

• относительно удовлетворительная;

• напряженная;

• критическая;

• кризисная;

• катастрофическая.

ЧС, связанные с изменением состояния суши, классифицируются как нарушения структуры и

загрязнения литосферы.

ЧС, связанные с изменением состава и свойства атмосферы, классифицируются как аэродинамические

нарушения (разрежение, возмущение, температурные инверсии) и загрязнения.

ЧС, связанные с изменением состава гидросферы, классифицируются как гидродинамические

нарушения (изменения режима и динамики поверхностных, грунтовых и подземных вод, изменения

русла рек) и загрязнения (неочищенные промышленные и сточные воды).

Взаимодействие в системе «человек – среда обитания» характеризуется как:

• комфортное (оптимальное) – когда условия гарантируют сохранение здоровья человека,

целостность среды обитания;

• допустимое – когда условия не оказывают негативного влияния на здоровье человека, но

приводят к дискомфорту;

• опасное – когда длительное воздействие вредных факторов вызывает заболевания человека

и приводит к деградации природной среды;

• чрезвычайно опасное – когда опасные факторы за короткий период времени могут нанести

травму, привести человека к летальному исходу, вызвать разрушения в природной среде.

Единым интегральным критерием качества среды, с точки зрения ее пригодности для обитания

человека, согласно Уставу ВОЗ (1968 г.) служит состояние физического и интеллектуального здоровья

населения.

4.4. Природоохранные мероприятия (ПОМ), принципы и структура системы

Как бы велики ни были наши знания, следует помнить о незнании. Поэтому приходится учитывать

ограниченность знаний, уметь сомневаться, доверять природе. Самая «умная» кибернетическая

машина устроены гораздо проще, чем обыкновенный зеленый лист дерева, бабочка или медуза.

В основе рационального природопользования и охраны природы лежат следующие мотивы:

• экономический – вся хозяйственная деятельность человека, его существование основаны на

использовании природных ресурсов;

• здравоохранительный – возник в связи с нарастающим загрязнением окружающей среды,

ростом многочисленных заболеваний;

• эстетический – подразумевает удовлетворение эстетических потребностей человека, которые

не менее важны, чем все остальные;

• научно-познавательный – имеет в виду сохранение биологического разнообразия организмов,

их научного познания;

• воспитательный – подразумевает формирование духовных потребностей человека.

20

Основные принципы охраны окружающей природной среды:

• приоритет обеспечения благоприятных экологических условий для жизни, труда и отдыха

населения;

• научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества;

• учет законов природы и возможностей самовосстановления и самоочищения ее ресурсов;

• недопущение необратимых последствий для охраны природной среды и здоровья человека;

• право населения и общественности на достоверную информацию о состоянии окружающей

среды и отрицательном воздействии ее здоровье человека;

• неотвратимость ответственности за нарушение требований природоохранного законодательства.

Ниже приведена организационная структура природоохранных мероприятий.

Тип ПОМ

Категория ПОМ

Группа ПОМ

Вид ПОМ

Охрана недр Охрана лито-гидросферы Охрана биосферы Охрана атмосферы

Предупредительные Распределительные Компенсационные Восстановительные

Одноцелевые Многоцелевые Профилактические Специальные

Организационные Правовые Инженерные

Плановые Оперативные Нормативные Законодательные Технические Технологические

Существуют два основных направления природоохранной деятельности в промышленности.

Первое – очистка вредных выбросов. Но этот путь малоэффективен, так как не всегда удается добиться

полного очищения и нейтрализации отходов. При этом сокращение загрязнения одного компонента

ведет к загрязнению другого и это требует значительных энергозатрат.

Второе направление – устранение самих причин загрязнения, т.е. разработка малоотходных и

безотходных технологий производства, максимальная утилизация вредных выбросов.

Сама природа является ярким примером безотходного цикла оборота веществ.

В России законы и постановления правительства, касающиеся охраны окружающей среды, в

основном носят декларативный характер. Механизм их исполнения не отработан. Административная

и уголовная ответственность за экологические преступления, как правило, явление редкое.

В развитых странах широко используются экономические рычаги, позволяющие предприятиям и

организациям защищать природу с выгодой для себя. Это может быть снижение налогов, поощрение

предприятия в случае снижения загрязнения окружающей среды отходами и др.

Мировой опыт показывает, что для стабилизации экологической ситуации в стране нужно

затратить не менее 3% валового национального продукта, а для улучшения экологической ситуации

необходимо уже 5%.

Контрольные вопросы

1. Понятие о биосфере.

2. Состав и свойства биосферы.

3. Влияние человека на окружающую среду.

4. Техногенные и природные опасности и ЧС экологического характера.

5. Природоохранные мероприятия, принципы и структура системы.

21