4.6.Пределы устойчивости биосферы

В понимании происходящих сейчас глобальных изменений экологи­ческой обстановки большое место отводится биоте — системе живых организмов Земли. Ей принадлежит важнейшая роль в биосфере. Биота участвует в формировании атмосферы Земли, экосистемы Мирового оке­ана, горных пород, почвы, является ключевым фактором в биогеохими­ческих циклах углерода, воды, азота, фосфора, серы и других соедине­ний. Биота обеспечивает продуктивность экосистем и является основой жизни человека.

Эволюция биоты происходит в форме смены видов, образования новых видов, которые занимают освободившиеся экологические ниши. В устойчивости экосистемы большую роль играют процессы адаптации — они являются неотъемлемым свойством биоты.

С точки зрения концепции допустимых воздействий и устойчивости экосистем, наиболее важными являются следующие вопросы;

Какие экологические факторы наиболее существенны для устойчи­вости биосферы?

Какие элементы биосферы наиболее уязвимы?

Возможна ли оценка адаптационных возможностей биосферы?

Достаточны ли адаптации для поддержания устойчивого состояния биосферы?

Когда и в какой последовательности современные земные виды живых организмов, включая человека, могут исчезнуть?

Одним из главных факторов, угрожающих стабильности глобальной экосистемы и биосферы вследствие роста потребления, является рост на­родонаселения Земли. Согласно экологическим законам, в популяции су­ществует некий оптимальный уровень численности, который соответствует экологическому балансу (состоянию устойчивости) в экосистеме. Пре­вышение оптимальной численности создает неблагоприятные условия для

¹ Виноградов Б.В.ъ сотр., 1998.

отдельной особи, начинает действовать конкуренция за лимитирующие экологические факторы. До какого-то предела действует механизм естественной регуляции, который направлен на поддержание оптимального уровня. Когда этот предел превышается, ситуация становится нерегулируемой, нарушается устойчивость популяции и ее роль в экосистеме изменяется. Эти же взаимодействия, по-видимому, имеют место и в человеческой популяции.

Все люди в любой области деятельности используют ту продукцию, создается за счет энергии Солнца. В доиндустриальную эпоху площади эксплуатируемых земель составляли 596 территории суши, на которых человек использовал не более 20% продукции биоты; общая антропогенная доля потребления продукции биосферы не превышала \%. Современная же доля на порядок выше. Если существующие темпы природа сохранятся, то окажется, что уже в начале XXI века человечество будет потреблять 50% всей первичной биологической продукции, т.е. ловину биоты суши¹, а через 30-40 — 80%². Сможет ли наша планета держать такую нагрузку или нет, пока не ясно.

Существенным фактором дестабилизации биосферы является изменение круговоротов биогенных элементов. На первом месте по числу исследований нарушений круговоротов стоит углерод. Значительный рост содержания диоксида углерода в атмосфере, который наблюдается в последние десятилетия, влечет за собой изменения круговорота углерода. Так, например, данные, полученные на Аляске (США) и в разных ре-онах тундровой зоны России, показывают, что тундровые экосистемы, которые прежде функционировали как системы, поглощающие углерод, за последние 20 лет превратились в его источник, причем важную роль в этих изменениях играют пожары³. Пожар может привести к потере одной от исходного запаса углерода.

Согласно исследованиям по Международной геосферно-биосферной программе (МГБП), в настоящее время углеродный цикл наземных экосистем находится в приблизительном равновесии по отношению к поглощению и эмиссии углекислоты. В новом столетии, однако, наземная биосфера может превратиться в ее источник. По меньшей мере на это есть две причины.

1.Предполагается, что прирост человечества составит 1 млрд за десятилетие. Это потребует интенсификации сельского хозяйства, особенно в Азии и Африке, что не компенсируется увеличением площадей лесов: степей в Европе и Северной-Америке. В результате будет происходить избыточное выделение диоксида углерода.

2. За последние три десятилетия в северных широтах произошло значительное потепление, и в дальнейшем здесь увеличится вероятность за-

¹ Котляков В.М., Общество. Окружающая среда. М.: Наука. 1997.

² Кондратьев К. Я., Данченко В. К., Экодинамика и геополитика. Т 1. Глобальные

емы (Кондратьев К. Я.). СПБ, 1999. ' Замалодчиков Д. Г., Карелин Д. В., ИващенкоА. И, Послепожарные изменения одного цикла в южных тундрах // Экология. 1998. № 4.

55

54

засух, пожаров, атак насекомых, что вызовет увеличение выбросов диок­сида углерода.

Важную роль в круговороте углерода играет Мировой океан, который как бы компенсирует приток углерода от сжигаемого топлива и вместе с наземной растительностью вырабатывает необходимый для жизни кисло­род. Механизм участия Мирового океана в круговороте углерода весьма сложен. Принято считать, что океан «вдыхает» углекислый газ из атмос­феры, около половины его поглощается океаном, а остальная часть под­вергается захоронению в виде углерода в донных осадках, что приводит к выведению его из круговорота.

В настоящее время большую роль в биосфере начала играть сера про­мышленного происхождения, попадающая в атмосферу в составе дыма в виде диоксида серы. Основной источник этого газа — сжигание угля. Всту­пая во взаимодействие с атмосферной влагой сера в виде сернистого ан­гидрида образует кислоты, которые затем вместе с атмосферными осад­ками выпадают на поверхность земли («кислотные дожди», см. гл.6.3.2). Та­кая же судьба у другого газа — диоксида азота, который попадает в воздух с выхлопными газами и промышленными выбросами, а затем выпа­дает в виде «кислотных дождей». Последнее приводит к закислению природных вод, гибели водной биоты и деградации водных экосистем. Изменения круговоротов серы и азота, а также вызванные выбросами наруше­ния в природных экосистемах пока еще не носят глобальных масштабов, но их роль постепенно нарастает.

Известный эколог Ю.Одум полагает, что основной целью общества должно стать «возвращение веществ в круговорот».

По мнению некоторых экологов, важная роль, которую играет биота и биосфера в глобальных процессах, все еще недооценивается экспертами и специалистами. Она, в частности, не нашла адекватного отражения в документах Второй конференции ООН по окружающей .среде¹.

В связи с приростом концентрации диоксида углерода в атмосфере прогнозируются катастрофические последствия парникового эффекта. Между тем известно, что фактический прирост концентрации диоксида углерода не столь велик, как предсказывают на основе вычислений. Это объясняется тем, что огромные количества диоксида углерода, который выбрасывается в атмосферу, ассимилирует биосфера Функция биосферы как резервуара углерода и может гарантировать экологическую безопасность в будущем. Есть основания полагать, что биосфера — естественная биота и взаимодействующая с ней окружающая среда — является именно той системой на Земле, которая позволит сохранить устойчивость среды обитания при любых возмущениях². Если разрушить биосферу, то действительно можно прийти к экологической катастрофе.

Необходимо сохранить природные сообщества и существующие виды организмов на большей части поверхности Земли. Это главное условие, продолжения жизни на Земле.

Важной особенностью России является то, что она обладает большой территорией, значительная часть которой еще не нарушена хозяйствен­ной деятельностью. Эта территория играет существенную роль в поддер­жании устойчивости биосферы.

Большой вклад в представления о пределах допустимого воздействия на биосферу вносит теория биотической регуляции, которая разработана российским ученым В.Г.Горшковым¹. На основании расчетов ряда пара­метров, характеризующих биогеохимические круговороты (воды, углеро­да, биологических показателей и т.д.), автор приходит к выводу о том, что биота с момента своего возникновения на Земле не только адапти­ровалась к окружающей среде, но и оказывала на нее мощное формиру­ющее влияние. В результате взаимодействия с окружающей средой сфор­мировалась биосфера, причем путем надлежащей подстройки потоков биогенов обеспечивается высокая точность регулирования всех парамет­ров, существенных для биоты, в достаточно большом, но не бесконеч­ном диапазоне вариаций возмущений. В число параметров входят климат, атмосфера, почва, поверхностные воды суши и воды Мирового океана.

Химические изменения окружающей среды под воздействием про­цессов в земных недрах несбалансированы. Несмотря на относительно низкую скорость химических изменений, на протяжении длительного времени они могут быть значительными. Например, неорганический уг­лерод поступает в окружающую среду со скоростью около 10 "² Гт в год, а запас неорганического углерЧвда в атмосфере составляет величины по­рядка 10³ Гт. Отсюда следует, что геофизические процессы — 100%-ное изменение массы углерода в окружающей среде — могут произойти за 100 тыс. лет, а за 1 млн лет сделать Землю полностью непригодной для жиз­ни.

Процессы жизнедеятельности обусловливают увеличение скорости химического изменения окружающей среды на четыре порядка (в 10⁴ раз) по сравнению со скоростью изменения окружающей среды под воздей­ствием процессов в земных недрах. Это связано с синтезом органических веществ из неорганических со среднеглобальной скоростью 100 Гт в год.

Общий запас органического углерода в атмосфере, как и неоргани­ческого, — 10³ Гт. Биологический синтез органического вещества компен­сируется его разложением. Наблюдаемая неизменность порядка величи­ны содержания неорганического углерода в окружающей среде (в частно­сти, запасов диоксида углерода в атмосфере) на протяжении примерно 100 тыс. лет указывает на то, что биологический синтез и разложение органического вещества соответствуют друг другу. При этом захоронение органического углерода в осадочных породах, которое контролируется биотой, является важнейшим механизмом поддержания стабильности ок­ружающей среды.

Из биотической концепции следует, что именно биота контролиру­ет химический состав окружающей среды. Круговорот веществ в целом

¹ Интервью профессора К. Я. Кондратъева/Ьют. ВМО. 1998: Т. 47. № 1.

² Котляков В.М. Наука. Общество. Окружающая среда. М.: Наука. 1997.

¹ Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.:ВИ-НИТИ, 1995.

56

57

(«физический круговорот»), по-видимому, не может быть устойчивым при отсутствии жизни. Контроль обеспечивается за счет компенсации ра-зомкнутости биогеохимических циклов. Это происходит путем связыва­ния избытка неорганических веществ в органические вследствие превы­шения синтеза над разложением и противоположного процесса: попол­нения недостатка неорганических веществ за счет разложения органики с превышением разложения над синтезом.

Регулирующая роль биоты обеспечивается весьма устойчивой внут­ренней структурой, которая может быть описана параметрами биомассы, потоков энергии и биогенов для разных групп живых организмов. В.Г.Гор­шков называет это законами устойчивости биосферы.

Согласно принципу Ле Шателье, который характеризует устойчи­вость любой системы, скорость поглощения углерода биотой (при малых относительных возмущениях) должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в окружающей среде по отношению к исходно­му (доиндустриальному) состоянию. Таким образом, для того чтобы си­стема сохранила устойчивость, соответствующий коэффициент пропор­циональности должен иметь положительные значения.

В XIX столетии биота суши подчинялась этому принципу, т.е. была слабо возмущена человеком, эффективно компенсировала воздействия, и проблемы загрязнения и устойчивости не возникало. В начале XX века биота суши перестала справляться с излишком углерода из атмосферы и, наоборот, сама стала выбрасывать углерод, увеличивая, а не уменьшая, загрязнение окружающей среды. Это указывает, что функция биоты в глобальном масштабе сейчас нарушилась.

Поскольку хозяйственная деятельность человека сопровождается преобразованием биосферы, можно определить порог антропогенного воздействия, с которого принцип Ле Шателье перестает действовать и биосфера становится неустойчивой.

Тем не менее действие принципа Ле Шателье, по-видимому, мож­но восстановить. Девяносто процентов потребления энергии основано се­годня на использовании невозобновляемых ресурсов. Если отказаться от них, то не менее чем на порядок сократится энергопотребление, числен­ность населения и на такую же величину уменьшится антропогенное вли­яние на биоту. Поддержание энергопотребления на современном уровне — даже при переходе на «чистые» источники энергии — приведет к про­должению разрушающего возмущения биосферы. Таким образом, альтер­нативы нет: переход на ресурсосберегающие технологии жизненно необ­ходим.

Современные глобальные изменения являются следствием разруше­ния компенсационных механизмов биоты, а не прямого воздействия человека, загрязняющего окружающую среду. Разрушение компенсацион­ных механизмов происходит в результате превышения допустимого пре­дела возмущения биоты хозяйственной деятельностью человека. Расчеты позволили определить порог устойчивости (допустимого возмущения) био­сферы: биота сохраняет способность контролировать условия окружающей

среды, если человек в ходе своей деятельности использует не более 1% ой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна определяться между видами, выполняющими функции стабилизации окружающей среды. Таким образом, коэффициент полезного действия биоты, с точки зрения человека, составляет всего 1%, тогда так 99% идет поддержание устойчивости биосферы.

Если бы уровень современного возмущения биоты был снижен на порядок, то все негативные глобальные изменения были бы остановленны и она вернулась бы в первоначальное невозмущенное состояние. Условием сохранения и поддержания высокой способности биоты к адаптации является богатое видовое разнообразие. Ценность теории биотического регулирования определяется тем, что позволила определить порог устойчивости биосферы и подойти к качественной характеристике пределов устойчивости, превышение которых нарушает устойчивость биоты и среды ее обитания. Согласно этой биосферной концепции, порог допустимого воздействия уже превышен человечеством. Биосферная концепция устойчивого развития предусматривает улучшение жизни людей при сохранении естественной среды в таком объеме, который обеспечит ее (биосферы) стабильность, включая хозяйственные системы.

Главные заботы экологов должны быть сосредоточены на сохранении сферы — основного фактора глобальной экологической безопасности. Центрами восстановления естественных сообществ организмов, необходимых для обеспечения устойчивости окружающей среды, могут стать сохранившиеся ненарушенные экосистемы и территории. Согласно расчётам, для стабилизации глобальных изменении (прежде всего выброса углерода) необходимо сократить площадь нарушенных земель с 61% в настоящее время до 38%².

Теорию биотического регулирования признают ведущие российские ™оги³, считая ее альтернативой ресурсной концепции устойчивого развития (последняя рассмотрена в гл.8).

I¹ Кондратьев К. Я., Дотенко В. К., 1999. |² Горшков В. Г., 1995.

1' Арский Ю.М., Данилов-Даншкдн В.М., Залиханов М. Ч., Кондратьев К.Яи др. Эко-чические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать? М.: Изд-во 1ЭПУ, 1997.

58