Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
фито- мелиорацию 1 и пр. В экономически развитых странах, например странах Западной Европы, на каждый гектар вносится до 400 кг удобрений, в странах Азии — 9—50 кг, те. фактически в странах третьего мира никакой подкормки истощенных почв не ведется. Во многих развивающихся странах основные виды работ в сельском хозяйстве выполняют вручную или с помощью домашнего скота. В США и Западной Европе один трактор приходится в среднем нага пашни, в развивающихся странах — 1 Фитомелиорация — комплекс мероприятий по улучшению условий природной среды с помощью культивирования или поддержания естественных растительных сообществ создание лесополос, посев травит. п. 350 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ нага, а в Индии, например, — нага. Низкая культура земледелия — причина того, что урожайность важнейших продовольственных культур мала и не соответствует агропри- родному потенциалу. Наибольшие резервы по увеличению обрабатываемых угодий имеют Южная Америка и Африка, где еще можно освоить сотни миллионов целинных земель. Распашка должна производиться в соответствии с принципами рационального использования, сохранением должных размеров лесных и травянистых полос. Основное внимание должно уделяться внедрению интенсивных технологий, а не освоению маломощных земель. 8.2.3. Факторы, лимитирующие развитие человечества За последние 40 лет в человеческом обществе, а в результате и на планете в целом произошло столько событий, сколько раньше происходило залет. Признаками, сопутствующими современному этапу развития технологической цивилизации, являются экспоненциальный рост населения Земли, постепенное истощение ресурсов, а также растущее загрязнение окружающей природной среды. 8.2.3.1. Демографический взрыв Первопричина современного экологического кризиса — демографические проблемы человечества, связанные с экспоненциальным ростом численности и усилением миграции населения. В природных популяциях животных и растений рост численности редко идет по экспоненциальному закону. Как правило, модели роста популяций в природе — это логистические модели, в соответствии с которыми из-за давления среды пределы роста достигаются быстро. Факторы давления среды (истощение ресурсов, конкуренция за пространство и ресурсы) быстро приводит к ограничению численности любой природной популяции. Однако с человеком произошло иначе. Считают, что первые люди во времена, когда они начали овладевать огнем и заселять планету, представляли собой популяцию численностью не более 1 млн чел. Это было еще до перехода к земледелию, те. до того, как человек вышел из-под влияния естественного отбора. С началом земледелия 8.2. Экология человечества 351 и скотоводства численность человеческой популяции возросла примерно до 100 млн чел. (рис. 8.5). Средняя продолжительность жизни в древнем мире была невелика так, в Древней Греции она не превышала 20—25 лет. В XVII—XIX вв. условия жизни начали улучшаться, медицина шагнула вперед. В конце XIX и особенно в XX в. произошли кардинальные изменения в этой области, благодаря чему уменьшилась детская смертность, продолжительность жизни перешагнула летний рубеж (границу достижения репродуктивного возраста) и начался очень быстрый, экспоненциальный рост численности человеческой популяции. Все это и стало началом современного демографического взрыва. После Второй мировой войны на Земле в 1950 г. проживало 2,5 млрд человек. В 1982 г. общая численность населения планеты превысила 5 млрд, а в 2000 гона уже составляла более 6 млрд чел, те. почтив раза выше, чем в 1950 г. Географически рост происходит неравномерно (рис. 8.4. и 8.6). За последнее время особенно быстро росло население Китая, Индонезии, Индии, стран Африки и Латинской Америки. В СССР рост численности населения был большим за счет республик Средней Азии. В России же незначительный рост, происходивший дог, сменился нарастающим снижением численности населения. 2-3 8000 6000 4000 2000 1000 1000 2000 млн лет дон. э. н. э. Рис 8.5. Динамика изменения фактической численности населения Земли на протяжении человеческой истории и ее взрывообразный рост в.наши дни (по Ф. Рамаду с дополнениями 1 — Древний каменный век 2 — начало нового каменного века 3 — Новый каменный век 4 — Бронзовый век 5 — Железный век 6 — Средние века 7 — наше время 352 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ К мерам по поддержанию популяционного равновесия человечества относится ряд международных соглашений, принятых в рамках ООН, в частности, соглашение по народонаселению. На основе программ ООН с целью снижения уровня рождаемости и уровня смертности разработана политика помощи развивающимся странам, включающая обеспечение контрацептивами и меди ко-санитарную помощь, а также экономические меры, призванные поднять уровень жизни и образованность населения. Кроме того, были разработаны международные проекты, в рамках которых развивающимся странам передавались современные технологии, ориентированные не на крупные промышленные или сельскохозяйственные производства, а на небольшие семейные производства и фермерские хозяйства. Преимущественно это экологически оптимальные технологии, обеспечивающие высокую производительность труда. 1950 1980 2025 Рис. 8.6. Тенденция изменения соотношения численности населения в странах Севера и Юга поданным наг. Истощение природных ресурсов Истощение ресурсов идет по нескольким направлениям. Во-первых, истощаются невозобновимые ископаемые энергоресурсы биогенного происхождения — уголь и нефть, хотя их запасы пока достаточно велики. Кроме того, биосфера имеет и альтернативные несчерпаемые источники энергии ветер, приливы и отливы, солнечную радиацию. Во-вторых, истощаются такие относительно возобнови мые ресурсы, как почва и леса. Почвенный покров планеты страдает от эрозии, в результате которой катастрофически убывает плодородный слой. Многие древние цивилизации исчезли с лица Земли именно вследствие неумеренной распашки почвенного слоя. Так, нынешняя пустыня Сахара была ког да-то богатейшей житницей Римской империи. И сейчас на различных участках земного шара происходит опустынивание, связанное прежде всего с вырубкой лесов, сведением кус 8.2. Экология человечества 353 тарников и травяного покрова. Сплошная распашка почв ведет к пыльным бурям, ветровой и водной эрозии плодородного почвенного слоя. Для борьбы с этими явлениями необходима защита полей лесными и кустарниковыми полосами, укрепление склонов оврагов древесными и кустарниковыми насаждениями и иные простые, но эффективные мероприятия. Катастрофичной в данное время является вырубка тропических лесов, которые являются одним из крупнейших источников кислорода, жизненно важного ресурса нашей планеты, возобновляемого биотой. Тропические леса исчезают в силу того, что население в этих районах быстро увеличивается. Из-за угрозы голода люди в погоне за небольшими урожаями используют под поля и огороды любые клочки земли, вырубая для этого древние тропические леса, деревья, кустарники. В случае уничтожения лесов в экваториальной зоне, Амазонии и, как следствие, снижения содержания кислорода в атмосфере планеты человечество и само существование биосферы окажутся под угрозой гибели от гипоксии. Другим значительным источником кислорода является фитопланктон тропического океана. Но и этот источник кислорода находится под угрозой, так как океан с громадной скоростью загрязняется отходами промышленного и сельскохозяйственного производства. Таким образом, биогенные ресурсы кислорода хотя и являются возобновимыми, нов настоящий момент находятся под угрозой истощения. В третьих, из-за загрязнения водоемов под угрозой исчезновения оказались запасы чистой пресной воды. Загрязняясь биогенами, водоемы подвергаются эвтрофизации, многие из них превращаются в болота, становясь непригодными для жизни рыб ценных промысловых пород. При загрязнении абиогенными продуктами сельскохозяйственного и промышленного производства (тяжелыми металлами и ксенобиотиками) воды становятся токсичными для своих обитателей. Эта опасность — результат стока воды с полей и ферм, от промышленных объектов. В загрязнение воды и почвы весомый вклад вносят сельское хозяйство вследствие применения удобрений, пестицидов, гербицидов и иных химикатов, особенно при использовании их в произвольных количествах 1 Иногда в литературе в данном контексте встречается термин сведение лесов. 2 В настоящее время почти все живое на Земле нуждается в кислородной атмосфере. 12 Экология 3 5 4 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ промышленность из-за недостаточно совершенных очистных сооружений. Поскольку самовосстановление и саморегуляция являются природными свойствами экосистем, то почвы, воздух и вода в природных экосистемах способны к самоочищению. Однако из-за вымирания под натиском деятельности человека многих биологических видов — звеньев трофических цепей — экосистемы теряют способность к восстановлению и начинают разрушаться сами. 8.2.3.3. Загрязнение среды обитания Человек для удовлетворения собственных нужд вовлек в сферу своего потребления большое количество новых для биосферы веществ и материалов, не имея при этом достаточных сведений о их безопасности. В конце второго тысячелетия на нашей планете с коммерческими целями производится около 100 000 химических веществ, но 95% объема мирового производства приходится всего на 1500 из них. При современном уровне развития науки и техники высокий уровень безопасности использования может быть обеспечен для любых химических веществ и материалов. Однако, по оценкам международных экспертов, большинство стран, особенно развивающихся, пока неспособны сочетать рентабельность и безопасность при использовании химических веществ. Обобщенные данные о доле производимых человеком химических веществ, исследованных на настоящий момент времени на токсичность, представлены на рис. 8.7. Механизм пагубного воздействия результатов хозяйственной деятельности человека на живые организмы нашей планеты см. в разд. 8.3.1. Особенностями масштабам ускоряющегося антропогенного загрязнения биосферы, связанного с развитием промышленных и сельскохозяйственных производств, посвящена гл. 9. 8 . 2 . 4 . Технологическая цивилизация и биосфера Технологическая цивилизация, обеспечившая демографический взрыв, развивалась шаг за шагом, начиная с древних времен. Началом экономики явилось потребление кормовых природных ресурсов в эпоху собирательства. Следующим 8.2. Экология человечества 355 Пестициды Косметика Jjj Лекарства Пищевые добавки Химикаты 20 40 60 80 100 % Цанные имеются Данные отсутствуют Имеются частичные данные Рис. 8.7. Данные о токсичности по группам химических веществ поданным наг. шагом стало появление новых технологий добычи, охотничьих и боевых приемов, те. конкурентная борьба за ресурсы. Изобретение орудий труда способствовало появлению технологий переработки ресурсов, развитие которых является отличительным свойством человеческих популяций. Современные технологии направлены, с одной стороны, на использование новых ресурсов, с другой стороны, на сокращение и утилизацию отходов. В идеале создаются технологические пирамиды, подобные природным трофическим пирамидам. Поэтому устойчивость технологических систем, как и природных экосистем, обеспечивается наличием разнообразия. Развитие технологической цивилизации прошло через несколько стадий. Начальной была малоспециализированная добыча и экстенсивное производство. Промежуточная стадия характеризовалась ростом эффективности переработки. Современная стадия, имеющая шанс перейти в устойчивую, отличается специализированным производством с высокой эффективностью использования и реутилизации ресурсов. Развитие технологической цивилизации в конце концов должно привести к созданию ресурсосберегающих технологий, и тогда вершиной цивилизации также, как вершиной природ- 356 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ной эволюции, станут практически безотходные круговороты вещества. Человек же вмешивается в безотходные природные круговороты и нарушает их, тем самым разрушая системы саморегуляции в биосфере. 8.3. Экологические кризисы и катастрофы В истории планеты многочисленны примеры экологических кризисов и катастроф различного масштаба. Они неоднократно потрясали биосферу, несли гибель многим видам живого и существенно меняли генотипический состав биоты. Нарастание негативных последствий антропогенного воздействия на биосферу привело к современной кризисной ситуации в ней. Кризисы, бедствия и катастрофы — это нарушения природного экологического равновесия, потеря устойчивости биологическими системами. При этом кризисы не разрушают систему полностью, а приводят ее в состояние неустойчивости, из которого возможен выход к изменению уровня функционирования или управления системой, либо к гибели системы. Таким образом, кризис может быть и обратимым Катастрофа — комплекс изменений в системе, которые ведут к ее исчезновению. При катастрофе нарушается одновременно большое количество взаимосвязей, прекращает функционировать системообразующий фактор, и система, как таковая, перестает существовать. Катастрофы в биосфере за время ее существования бывали редко и не оставляли генотипических следов, ибо приводили к вымиранию большого количества видов. После этого вымирания происходили крупные эволюционные перестройки, появлялись новые виды, значительно отличавшиеся по своей организации от предшествующих. Причинами катастроф были необратимые природные явления (локальные засухи, моры), а также перестройки (прежде всего климатические) во всей биосфере, связанные с периодами горообразования, глобальных потеплений или похолоданий, образования, движения или таяния ледников. Вовремя тех древних катастроф вымирало более половины всех живущих на Земле видов, причем исчезали климаксные (устойчивые) сообщества и планета заселялась как бы заново, уже дру- 8.3. Экологические кризисы и катастрофы 3 5 7 гими видами, которыми начинались новые (первичные) сук- цессионные ряды. В наши дни более 90% мировых стихийных бедствий приходится на наводнения, ураганы, землетрясения и засухи. Оставшиеся 10% в сумме составляют сели, цунами, торнадо, снегопады и т. п. По материальному ущербу для человека наиболее значимы наводнения, а по числу человеческих жертв — ураганы. 8 . 3 . 1 . Особенности антропогенного воздействия на биоту Антропогенное воздействие на биоту имеет важные особенности нелинейность дозового эффекта различных чуждых веществ или излучений на биологические системы, те, как правило, действие малых доз зачастую является несоразмерно сильным. Нелинейность дозового эффекта выражается в том, что для некоторых веществ (например, опасных канцерогенов) или ряда мутагенных факторов (например, ионизирующей радиации) безопасных доз и концентраций просто не существует наличие кумулятивного эффекта, те. накопление неблагоприятного воздействия на организм. В частности, в организме человека кумулятивный эффект загрязнений проявляется в виде накопления стресса, общей усталости, напряжения, переходящих в предболезнь; • синергическое, те. совместное, действие. Если даже малые концентрации каких-либо химических веществ действуют на один и тот же организм одновременно, то возможен самый разнообразный интегральный эффект. Одни вещества могут усиливать или ослаблять действие других, а в некоторых случаях возможен неожиданный результат наличие генотипических, иммунологических и индивидуальных различий в чувствительности к тем или иным воздействиям, те. для всех живых организмов характерны различия в чувствительности мишеней. На примере критических периодов онтогенеза видно, что такая разница в чувствительности может быть очень велика. Так, вовремя формирования у эмбриона какого-либо органа самая ничтожная доза химического вещества 358 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ такого, как аспирин или легкое снотворное) может вызвать уродство, тогда как у взрослого организма этаже доза не окажет неблагоприятный эффект. Следовательно, все антропогенные воздействия могут быть сравнимы с факторами естественного отбора. В конечном счете суммарное воздействие на человека антропогенно измененных факторов окружающей среды происходит аналогично естественному отбору и проявляется в форме бесплодия, предродовой и послеродовой смертности. В старых промышленных районах население благодаря генетической адаптации оказывается более устойчивым к загрязнениям. Многим загрязнениям характерно триггерное действие, а именно то или иное загрязнение может вызвать цепную реакцию, начинающуюся с какого-то одного наиболее чувствительного вида. Далее реакция передается по трофической сети иве дет к тому или иному поражению целой экосистемы. Например, хлорфторуглероды (фреоны) оказывают токсическое действие на организм человека, но при малых дозах эффект незаметен. Одновременно эти газы относятся к парниковыми при их накоплении в атмосфере возникают такие глобальные изменения, как перераспределение осадков или потепление. Результатом присутствия фреонов в атмосфере является разрушение озонового слоя и, как следствие, повышение мутагенного эффекта ультрафиолетовых лучей Солнца. Анализ всей цепочки воздействия на биоту показывает, что даже небольшие концентрации этих веществ ведут к значительным изменениям в организме. 8.3.2. История антропогенных экологических кризисов История биосферы богата примерами локальных экологических кризисов. Они случались как до появления человечества, таки вовремя его существования. В районах, оказавшихся испорченными неумелым хозяйствованием человека, свет цивилизации постепенно затухал, зато с новой силой и новым блеском он вспыхивал в других районах земного ша Триггер (от англ trigger) — спусковой крючок, собачка 2 По одной из теорий считается, что само возникновение разумного существа — человека — является следствием доантропогенного экологического кризиса аридизации, случившегося около 3 млн лет назад. 8.3. Экологические кризисы и катастрофы 3 5 9 pa. Подобными кризисами, вызванными антропогенными воздействиями, принято считать следующие. Кризис перепромысла животных (кризис консументов. Это был первый антропогенный экологический кризис, который произошел 10—50 тыс. лет назад в результате интенсивного развития охоты. Выход из кризиса был найден входе сельскохозяйственной революции, ознаменовавшейся переходом к производящему хозяйству. Кризис примитивного поливного земледелия (кризис продуцентов Он возник около 2 тыс. лет назад в связи с повышением производительности сельского хозяйства и появлением излишков продукции, которые можно было менять или продавать. Кризис был вызван истощением плодородия почв. Решить проблему удалось в результате второй сельскохозяйственной революции, переходом к широкому освоению неполив ных земель. Кризис перепромысла растительного материала (кризис продуцентов Этот кризис принято считать вторым антропогенным кризисом, который произошел 150—350 лет назад. Входе промышленной революции он заставил человечество начать интенсивное использование минеральных (ископаемых) источников энергии, что совместно с другими процессами вызвало дисбаланс в энергетических процессах биосферы. Кризис физического и химического загрязнения биосферы (кризис редуцентов Далее, 40—60 лет назад, в связи с развитием научно-технической революции начался и продолжается в настоящее время третий антропогенный или глобальный кризис, который уже не в состоянии справляться с разложением всего постоянно растущего антропогенного букета загрязнений. Особые проблемы возникают с теми впервые синтезированными человеком веществами, которые не имеют природных аналогов, и, следовательно, для которых в природе нет систем (организмов или абиотических процессов, способных редуцировать эти вещества до исходных химических элементов. 1 Наименования и нумерация экологических кризисов здесь ив разд. 8.3.3 приводятся в соответствии сих классификацией, предложенной Н. Ф. Реймерсом. 360 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ 8.3.3. Современный экологический кризис В наши дни третий антропогенный кризис дополнился четвертым глобальным термодинамическим тепловым) кризисом или энергетическим кризисом потребления. Кроме научно-технической революции, он вызван кризисом сознания и увеличением потребления, те. идеалы потребительства стали превалировать над прежними идеалами человечества. Уже более 3 млн лет наблюдается усиление антропогенного воздействия на биосферу, которое происходит нелинейно, а в последние 40—50 лет — в режиме самоускорения (или обострения. Термодинамический кризис вызывает климатические изменения в биосфере, связанные с парниковым эффектом, возникающим из-за загрязнения атмосферы парниковыми газами см. разд. 9.1.1.1). Растущее потребление энергии и выделение парниковых газов грозит планете глобальной экологической катастрофой. Может произойти повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных земель (таких, как земли северной Европы) и многих крупных городов. Кроме этого, уже сейчас наблюдаются локальные кризисные климатические ситуации, связанные с возникновением торнадо, цунами, резкими перепадами погоды, наводнениями — все это результат нарушения термодинамического режима нашей планеты. Выброс газов в атмосферу ведет еще к двум опасностям — выпадению кислотных осадков (см. разд. 9.1.1.3) и разрушению озонового слоя (см. разд. 9.1.1.2). В результате нарастания самоускоряющихся негативных процессов (демографического взрыва, уничтожения биологических видов и целых экосистем, истощения природных ресурсов, а также загрязнения окружающей природной среды) биосфера в наше время оказалась в состоянии экологического кризиса и даже более того — на грани экологической катастрофы (см. разд. 1.1.2). Главными чертами этого кризисного состояния являются истощение ресурсов, перенаселение, атак же загрязнение биосферы ксенобиотиками, те. чуждыми для нее веществами. Основные критические процессы в биосфере — это достижение человеком и значительное (в наши дни на порядок) превышение порога энергетического лимита разрушение природных экосистем. 8.3. Экологические кризисы и катастрофы 36 1 В 1900 г. естественные экосистемы суши были разрушены на 20%, а сейчас — уже на 63%. Разрушаются также морские экосистемы, прежде всего внутренние моря. В XX в. антропогенное воздействие усилилось. Вначале века человечество потребляло примерно 1% чистой первичной биосферной продукции, а к концу века уже 10%. Кроме того, первичная продукция оказалась разрушена еще на 30%; при этом часть ее перераспределилась человеком в пользу сопровождающей фауны, те. домашних животных, крыс, мышей, тараканов, микроорганизмов. В результате нарушается круговорот биогенов, меняется их естественная концентрация во всех средах, а в итоге постоянно снижается биоразнообразие. По некоторым подсчетам в настоящее время ежегодно гибнут тысячи биологических видов. Всякая живая система, используя обратные связи, всегда стремится к самосохранению. Система обратных связей в биосфере направлена на элиминацию |