1. Биосфера
1.1. Основные понятия и определения
Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 – 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в ХVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.
Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский (советский) ученый – геолог В.И. Вернадский (1863 – 1945), создавший в 20-х годах ХХ века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.
Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И. Вернадский выявляет огромную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука – биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924 г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время. учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение последствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.
В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Понятие ноосферы (от греч. ноос – разум) также имеет свою историю. Считается, что оно было введено в ХIХ в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 – 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религией и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое геологическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыслить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подобные нарушения в будущем.
В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что, кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского о биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.
Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) – оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках – геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.
Еще со времени Ламарка было известно, что процессы, происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И. Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.
Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2–3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз – массы земной коры и в миллиард раз – массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И. Вернадский.
Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.
Фотосинтез и круговорот веществ – основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, – основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.
Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, – гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами.
Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ – это два основных фактора существования биосферы Земли.
Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.
1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5–4,5 млрд. лет.
2) Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5–3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).
3) Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5–3 млн. лет назад (появление человека).
4) Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно–технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10–15 тыс. лет назад (появление городских поселений).
5) Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально–природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.
Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200–250 млн. лет назад в конце палеозоя – начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия.
В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.
Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 – 30 млн. лет назад.
47. Биосфера и научно – технический прогресс. Охрана биосферы.
Биосфера в период научно-технического прогресса
Влияние человека на биосферу. С появлением первого современного человека (около 30—40 тыс. лет назад) в эволюции биосферы стал действовать новый фактор — антропический. Получая из природной среды все жизненные ресурсы (воду, воздух, пищу, энергию, строительные материалы и др.), человек возвращает в биосферу бытовые и промышленные отходы, большая часть которых не в состоянии включиться в биологический круговорот из-за их чужеродности или токсичности. Происходит быстрое истощение природных ресурсов, вымирание многих видов живых организмов, загрязнение и отравление среды ядохимикатами и радионуклидами, разрушение естественных экосистем (лесов, лугов, озер, рек, болот).
Причина конфликта человека с природной средой заключается в том, что человек является одновременно и биологическим, и социальным существом. Его социальные потребности значительно выше биологических. Практическая деятельность человека не зависит от полного понимания им мироустройства. Человек чаще всего действует методом проб и ошибок. Последних он совершает слишком много, Создав разнообразные мощные технические средства, он заменил природную среду искусственной. Поселившись в ней, человек сделал себя не зависимым от ее превратностей.
Особенно сильным стало воздействие хозяйственной деятельности человека на природную среду во второй половине XX столетия. Природа планеты неузнаваемо оскудела, ее повсеместно вытесняет чудовищная урбанизация, естественные ресурсы буквально на глазах одного-двух поколений людей истощаются. Происходит деградация почв, теряющих естественное плодородие, возрастает их загрязнение нефтепродуктами, пестицидами, тяжелыми металлами. Страдает и сам человек. Среда его обитания в большинстве регионов мира, особенно в городах и промышленных центрах, становится все более вредной для здоровья. По оценке специалистов, не менее 50% распространенных заболеваний обусловлено загрязнением окружающей природной среды, прежде всего потреблением недоброкачественной питьевой воды, пищи, отравленным воздухом.
Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы. Охрана природы — это комплексная система мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природных систем и ресурсов Земли в интересах существующих и будущих поколений людей. Главная цель рационального использования природных ресурсов — сбережение видового разнообразия (генофонда) флоры и фауны планеты, ее недр, водных ресурсов, атмосферного воздуха, естественных экосистем, т. е. сохранение природных условий развития человеческого общества. Система охраны природы действует на основе международного, государственного и местного законодательства.
С середины XX в. стала очевидной опасность истощения природных ресурсов — как невозобновляемых (нефть, газ, уголь и т. п.), так и возобновляемых (грибы, растения, животные). За период с конца ХVI в. до 70-х гг. XX в. на Земле исчезли 109 видов птиц, 64 вида млекопитающих, 20 видов пресмыкающихся, 3 вида земноводных. В настоящее время, по данным постоянной Комиссии по исчезающим видам растений и животных Международного союза охраны природы и природных ресурсов (МСОП), в среднем ежедневно исчезает один вид (или подвид) животных и еженедельно один вид растений.
Процесс обеднения флоры и фауны наиболее заметен при изучении сравнительно небольших территорий. Так, флора Беларуси, насчитывающая теперь около 1750 видов, за последние 100— 150 лет сократилась почти на 100 видов. Исчезло также значительное количество видов животных. Среди них — млекопитающие (среднеевропейский лесной кот, выхухоль), птицы (большой баклан, розовый пеликан, колпица, стрепет), рыбы (белуга, балтийский и русский осетры, лосось). Потеря любого вида живых организмов нарушает слаженное функционирование биогеоценозов, в которых каждый вид занимает свою экологическую нишу и имеет строго определенное функциональное назначение.
Известные российские ученые А. Г. Банников и В. В. Флинт (1992) писали: «Каждый вид обладает неповторимым генофондом, сложившимся в результате действия естественного отбора в процессе эволюции. Все виды имеют потенциальную экономическую ценность и для человека, поскольку невозможно предсказать, какие виды могут стать со временем полезными и даже незаменимыми. Возможности использования видов настолько непредсказуемы, что было бы величайшей ошибкой дать вымереть какому-то виду потому, что сегодня мы не знаем его полезности». Вот почему необходимо охранять весь генофонд биосферы, кроме генофонда болезнетворных организмов.
Для реализации этой цели разработана система природоохранных мероприятий, среди которых важнейшими являются следующие:
разработка системы длительного наблюдения — мониторинга (в том числе и биомониторинга), — позволяющей осуществлять контроль за состоянием параметров окружающей среды, судить о степени ее ухудшения, источниках загрязнения, а также делать прогнозы о дальнейших тенденциях развития и функционирования экосистем;
создание охраняемых территорий (заповедников, заказников, резерватов, национальных парков);
принятие законов, обеспечивающих правовую основу природоохранных мероприятий;
разработка методов разведения редких и исчезающих видов растений и животных и их переселение (интродукция) на охраняемые территории или новые места обитания;
просветительская работа — разъяснение населению, представителям органов власти и общественных организаций идеи о насущной необходимости охраны всего живого, путей и методов решения этой задачи.
С целью сохранения генофонда редких и находящихся под угрозой исчезновения растений, грибов, животных организуются специализированные охраняемые территории (заповедники, заказники, национальные парки), создаются Красные книги международного и национального уровней, принимаются законодательные акты на национальном и межправительственном уровнях, заключаются международные соглашения.
Благодаря заповедникам сохранены многие виды животных (зубр, уссурийский тигр и др.), восстановлена до промыслового уровня численность бобра, лося, соболя и других ценных охотннчье-промысловых животных.
Биосферные заповедники имеют международное значение. Они предназначены для постоянного и всестороннего наблюдения за состоянием и ходом разнообразных природных процессов на неизмененных или слабо измененных типичных участках биосферы.
Заказник — участок природной территории, предназначенный для постоянной или временной охраны одного-двух или многих видов живых организмов, экосистем или геологических памятников (ландшафтов). В заказниках хозяйственная деятельность допускается только в той мере, в какой она не нарушает покоя и не наносит вреда охраняемым объектам.
Резерваты — это заповедные (охраняемые), обычно небольшие урочища (рощи, озера, участки долин и побережий и т. п.) и отдельные объекты (пещеры, водопады, редкие и исторически ценные деревья и т. п.)
Национальный парк— обширная охраняемая природная территория, на которой сохранились природные комплексы, представляющие особую экологическую, историческую и эстетическую ценность. Режим национального парка комбинированный: на его территории мозаично чередуются участки с заповедным и заказным режимом, а также территории, где допущена регламентированная хозяйственная деятельность, связанная главным образом с обслуживанием туристов и сохранением традиционных для местного населения форм землепользования.
В настоящее время во всем мире насчитывается около 3 тыс. национальных парков и других видов охраняемых территорий, близких по своим задачам и организации. Их общая площадь составляет свыше 400 млн. га.
В Беларуси имеется два заповедника — Полесский радиационно-экологический и Берсзинский биосферный заповедники, национальные парки — Беловежская пуща, Припятский, Браславские озера, Нарочанские озера, свыше 80 заказников республиканского значения, а также большое число заказников местного значения н памятников природы.
Красная книга — это официальный документ, содержащий систематизированные сведения о редких и находящихся под угрозой исчезновения видов грибов, растений и животных, краткие данные об их биологии, распространении и др. В Красных книгах отмечаются также причины, приведшие к резкому сокращению численности или даже к исчезновению видов.
Каждая страна, на территории которой обитает вид, включенный в Международную Красную книгу, несет моральную ответственность перед всем человечеством за сбережение этого сокровища. Красная книга — это документ совести человека.
Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды. По инициативе МСОП, Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирного фонда дикой природы (ВВФ), а также организаций ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства (ФАО), образования, науки и культуры (ЮНЕСКО) была разработана Всемирная стратегия охраны природы. Она была принята в 1978 г. в Ашхабаде на XIV Генеральной ассамблее МСОП.
В 1983 г. была создана Международная комиссия по окружающей среде и развитию (МКОСР). Именно с работой этой комиссии в международный обиход вошло понятие «устойчивое развитие», означающее такую модель социально-экономического развития мирового сообщества, при которой достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей и гарантируется, что будущие поколения не будут лишены такой возможности из-за исчерпания природных ресурсов и деградации окружающей среды.
В июне 1992 г. в Рйо-де-Жанейро состоялась конференция ООН по окружающей среде и развитию, в работе которой приняли участие главы и члены правительств и эксперты 179 государств. Конференция приняла ряд важных документов: Повестку дня на XXI в., Конвенцию о биологическом разнообразии, Конвенцию об изменении климата.
Претворение в жизнь принципов устойчивого развития позволит говорить о создании ноосферы — нового состояния биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития.
Человек и биосфера неотделимы друг от друга. Биосфера обеспечивает человека необходимыми для жизни веществами и энергией. Человек заботится о биосфере: проявляет заботу о ее жителях, охраняет среду их обитания. Сейчас вопросы охраны биосферы волнует всех людей на Земле.
Международное сотрудничество по охране биосферы проявляется в создании таких организаций, как Гринпис, Общества по охране природы, Всемирного фонда охраны природы и других. Ученые обнаруживают виды и группировки организмов, которым угрожает опасность, выясняют, сколько их осталось в природе и где, разрабатывают мероприятия по охране окружающей среды. В 1948 г. при ООН была создана Комиссия по охране видов растений и животных, которые исчезают, а впоследствии — Международную Красную книгу, в которую вошли данные о живых существах, которые оказались на грани вымирания. В России первую Красную книгу выпущено в 1980 г. Позднее она была переиздана в дополненном варианте. В Красную книгу Украины занесено: 151 вид растений и 29 видов млекопитающих. В издании 1996 г. эти показатели возросли до 476 видов растений и 41 вида млекопитающих. Красная книга России является государственным документом, который содержит сведения об исчезающих видах растений, животных, грибов и советы по приумножению их популяции.
В 1987 г. появилась Зеленая книга России. К ней занесены редкие и исчезающие группировки животных и растений, нуждающихся в охране.
Важный шаг на пути защиты и спасения природы — выделение территорий, где растения и животные сохраняются в неприкосновенности. Это создание заповедников, заказников, национальных парков. Сегодня в мире существует около 350 биосферных заповедников.
Заповедники — это территории, на которых запрещена любая хозяйственная деятельность человека, у них охраняются не только живые организмы, но и условия их существования.
Национальные природные парки — территории, которые охраняет государство, но здесь разрешен организованный туризм и учебные экскурсии.
Заказники — территории, на которых охраняются определенные виды животных и растений. Они создаются на определенный срок, пока не исчезнет угроза для организмов, взятых под охрану.
Образование в области окружающей среды рассматривается ныне педагогической общественностью как непрерывный процесс, охватывающий все возрастные, социальные и профессиональные группы населения. Однако ее центральным звеном является школа, поскольку именно по школьным годам формирование личности происходит наиболее интенсивно.