1.1. Определение биосферы

Что же представляет собой биосфера?

Напомним некоторые ее характерные признаки.

В современной науке имеется много определений биосферы. Приведем лишь некоторые.

«Биосфера – особая, охваченная жизнью оболочка Земли» (Вернадский, 2003, с. 32–33).

«Глобальная экосистема – биосфера Земли» (Тупикин, 2002, с. 154). «Поверхностный слой Земли – биосфера, сфера обитания живых организмов, постоянно перерабатываемая ими и включающая их самих» (Захаров, 1984, с. 3).

«Биосфера – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты» (Акимова и др., 2001, с. 32–33).

«Биосфера представляет собой глобальный биотоп, населенный всеми живыми существами, в том числе и человеком, проживающим на планете Земля» (Радкевич 1998, с. 124–125).

Из этих определений следует, что основу биосферы составляют живые организмы (биота) и окружающая ее (в глобальном масштабе) среда.

В то же время отметим, что учение о биосфере имеет свои специфические цели. Например, биология изучает живые организмы и их сообщества во всем разнообразии их состава и жизнедеятельности на всех уровнях организации жизни: от макромолекул, клеток, организмов до экосистем.

Учение о биосфере рассматривает живые организмы как нечто целое и единое, как живое вещество, т. е. совокупность всех живых организмов с точки зрения их глобальной геохимической и энергетической роли в масштабе геологического времени (Тюрюканов, 1990, с. 30–31). Деятельность живого вещества на планете создала условия для появления человечества и обеспечила его существование и эволюцию.

Здесь вполне уместны вопросы:

♦ как возникла биосфера?

♦ почему ее нет на других планетах Солнечной системы?

♦ в чем уникальность нашей Земли, породившей жизнь?

Ответы на эти и другие вопросы предполагают более детальный анализ, который мы проведем в этой и последующих главах.

1.2. Характеристика и состав биосферы

Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios – жизнь и sphaira – шар) в биологию было введено Ж. Ламарком в начале XIX в. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

В геологии название «биосфера» было употреблено в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом (1831–1914). В России учение о биосфере, как научное направление, сформировалось в первой четверти XX в. (Киселев, 2000, с. 14–15). Следует заметить, что первоначально под биосферой многими учеными подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. В различной литературе иногда указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом внимание обращалось скорее на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Так, например, Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли» не придавал особого значения обратному воздействию биосферы на природные процессы и определял ее (биосферу) как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли».

Дальнейшее накопление фактов и открытий в области палеонтологии, ботаники, геологии и других науках привело к уточнению и расширению понятия биосфера. В окончательном виде это понятие было разработано В. И. Вернадским (1863–1945). В его работах это понятие стало основным. Биосферой он назвал оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль. В основу учения о биосфере В. И. Вернадский ввел еще одно понятие – «живое вещество», т. е. «совокупность всех живых организмов без исключения, как единая особая область накопления свободной химической энергии в биосфере, превращения в нее световых излучений Солнца» (Вернадский, 2003, с. 56–57).

Таким образом, биосфера – это планетарная природная система, существование которой обусловлено глобальными процессами синтеза и разложения, где живое вещество играет главную роль. Суммарная жизнедеятельность организмов (живого вещества) определяет особенности биосферы и, в первую очередь, наличие круговорота энергии и вещества.

Важным для понимания биосферы было установление Пфефером (1845–1920) трех способов питания живых организмов:

1) автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

2) гетеротрофное – построение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

3) миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Из многих определений биосферы наиболее удачным (Радкевич, 1998) является следующее:

Биосфера (в современном понимании) представляет собой глобальный биотоп, населенный всеми живыми существами (в том числе и человеком), проживающими на Земле.

Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Она имеет несколько слоев:

♦ тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80 % газового состава атмосферы и весь водяной пар;

♦ стратосфера — слой атмосферы, располагающийся над тропосферой до высоты 50–55 км. В нижней ее части температура относительно постоянна, но начиная с высоты 25 км она вырастает от 6 С до 1 °C. Это объясняется тем, что на данной высоте (25 км) находится озон, который сильно поглощает солнечную радиацию. В эволюционном плане озон способствовал распространению живого вещества на суше;

♦ ионосфера – оболочка, в которой практически отсутствует «живое вещество».

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78 %), O2 (21 %), CO2 (0,03 %).

Гидросфера представляет собой совокупность всех вод на Земле (глубинных, почвенных, атмосферных, океанических и др.). Основную часть гидросферы (96,53 %) составляет Мировой океан. На протяжении тысячелетий во всех районах и на всех глубинах океана соотношение основных химических компонентов морской воды остается постоянным. В. И. Вернадский даже предлагал принять это соотношение в качестве константы на нашей планете, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Океану присущ гомеостаз – способность сохранять постоянство своего химического облика. Здесь нельзя не заметить, что сегодня очень остро стоит вопрос: сохранится ли эта способность в современных условиях?

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2, Ca2, Cl, S, С.

Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, и другим химическим элементам, которые усваиваются живыми организмами.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, постепенно, с глубиной, переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества (Реймерс, Яблоков, 1982, с. 71). Она включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50-200 км. Глубина земной коры до 30–60 км на континенте и 5-10 км на дне океана.

В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровича. Та часть поверхности литосферы, которая преобразована за счет совместного воздействия на нее воды, воздуха и живых организмов, образует почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, К.

Ведущую роль среди многих химических элементов, выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема. Этот газ прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе ее геологического развития.

Накопление фактического материала и теоретическое его осмысление привели ученых к идее, что между живыми организмами и неживой природой существует не просто формальная, а средопреобразующая взаимосвязь. Об этом свидетельствует обратное воздействие живых организмов (и их систем) на физические, химические и геологические среды их жизни. Отметим, что этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Ученые все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX–XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического (целостного) подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия живого вещества на абиотические факторы или физические условия.

Например, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Биота Земли контролирует и поддерживает на протяжении многих тысячелетий оптимальный газовый состав атмосферы. Можно найти много подобных примеров, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.

Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Именно такую задачу впервые поставил и решал выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский.

1.3. Физические условия формирования биосферы

Космологи считают, что примерно 20 млрд лет тому назад в результате чудовищного взрыва возникла наша Вселенная. Примерно около 6–7 млрд лет назад сформировались Солнце и другие тела его системы, и где-то 4,6–5 млрд лет назад возникла наша Земля (Мизун и др., 2002, с. 130–131). Было высказано предположение, что температурный фон, который должен был дойти до нас от начала «Большого взрыва», составит примерно 3 К, т. е. по шкале Цельсия -270. Дальнейшие проверки американскими радиоастрономами в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вилсон) подтвердили наличие этого реликтового излучения.

Гипотеза расширяющейся (эволюционирующей) Вселенной стала теорией. Расчеты о нестационарности Вселенной, выполненные А. А. Фридманом в 1922 г., полностью подтвердились эмпирически. Следовательно, возникновение Солнечной системы не было загадочным событием. Вместе со Вселенной она идет по пути как качественных, так и количественных преобразований – рождения, возмужания и дальнейшей гибели.

Огромное влияние на эволюцию нашей планеты и возникновение на ней жизни оказало «удачное» ее расположение по отношению к Солнцу. Известно, что Земля отстоит от светила на 149,6 млн км. Роль нашей звезды в динамике движения планет и их устойчивого нахождения на орбитах огромна. Прежде всего, за счет сил притяжения, обусловленного гравитацией, Солнце дисциплинирует движение планет на своих орбитах. Кроме этого, звезда излучает в пространство огромное количество энергии.

Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:

S = Т 4, (1)

где S – интенсивность излучения, а – коэффициент пропорциональности – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10-8 Вт/(м2К4), Т – температура нагретого тела.

Солнце излучает энергию во всех направлениях. Поэтому общую мощность излучения (светимость звезды) можно вычислить, если умножить поверхность шара, равную 4πR 2 , на температуру внешних ее слоев. Принимая во внимание выражение (1), имеем (Иванов, 1986, с. 287):

L = 4πR 2 σT 4, (2)

где R – радиус, Т – температура поверхности Солнца.

Учитывая, что максимум энергии излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, Т = 5330 К (Иванов, 1986, с. 286–287). Подставляя в формулу (2) параметры светила определим светимость L:

L = 4 3,14 (7 108)2 5,7 10-8 103)4 Вт = 2,8 1026 Вт.

Следует заметить, что температура поверхности Солнца (Т) у некоторых авторов не совпадает с вышеприведенной. Например, в монографиях Ю. И. Витинского (1983, с. 57–70), А. В. Бялко (1989, с. 96–97) этот показатель равен, соответственно, – 5770 К, 5780 К.

Светимость Солнца L можно определить еще одним способом. Для этого надо знать, сколько энергии во всем спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, т. е. солнечную постоянную (5). Измерения показали, что вне земной атмосферы 5 = 1360 Вт/м2.

Тогда

L = 4πR 2 s , (3)

где r – расстояние планеты до Солнца.

Подставим в (3) параметры нашей планеты. Имеем:

L = 4 3,14 1,496 1011 1,36 103 = 3,83 1026Вт.

Оценка светимости звезды по формуле (3) основывалась на предположении, что Солнце светит одинаково во все стороны, а, следовательно, мощность солнечных лучей должна пронизывать каждый квадратный метр всей сферы радиуса r вокруг Солнца (Вавилов, 1982, с. 70–71; Бялко,1989, с. 97–98). Учитывая формулы (2) и (3), найдем выражение для определения солнечной постоянной для других планет, расположенных от светила на соответствующем расстоянии:

s0 = R 2 σT 4/r2. (4)

Для нашей планеты показатель s 0 = (3,83 1026/4π)/2; 24 1020 = 1361 Вт/м2, а для Венеры и Марса, соответственно, – 2606 и 586 Вт/м2.

Как следует из формулы (4), числитель сохраняет неизменное выражение, а переменной величиной, от которой зависит солнечная постоянная для других планет, является их расстояние до Солнца. Имеются данные, что на величину s0 оказывает влияние изменение интенсивности излучения звезды и колебание ее радиуса (компоненты числителя, представленные в формуле (4) (Чистяков, 1997, с. 24–25). Доказано, что тепловое излучение Солнца постоянно. Его активность изменяет только коротковолновую, нетепловую часть излучения, и она, практически, не меняет тепловой поток, приходящий к нашей планете, и т. д. (Бялко, 1989, с. 133–134).

Можно определенно сказать, что нам «повезло» в том, что планета Земля заняла положение, которое в силу общеприродной закономерности (энергетический фактор) способствовало возникновению и дальнейшей эволюции биосферы на нашей Земле. Обратим внимание на состав атмосферы Венеры, Земли и Марса:

♦ углекислый газ на этих планетах составляет, соответственно, – 98, 0,03 и 95 %;

♦ азот – 1, 9, 79 и 2,7 %;

♦ кислород – следы, 21 и 0,13 %.

При отсутствии живых организмов на Земле углекислого газа было бы 98 %, азота 1,9 % и кислорода – следы.

Важным показателем является и температура поверхности этих планет:

♦ на Марсе она равна -53 С;

♦ на Венере – +477 С;

♦ на нашей планете – +15 С.

Ширина комфортной зоны, когда вода на нашей планете может существовать сразу в трех состояниях (жидкое, твердое и газообразное), составляет 0,06 расстояния Земли от Солнца. Граница полосы лежит в пределах 0,95 и 1,01 этого расстояния (Лосев, 1985, с. 44–45).

Если бы Земля сместилась на 5 % от комфортной зоны в направлении Венеры, то на планете начался бы смертоносный для биосферы разогрев утяжеляющейся углекислотой атмосферы. При ее смещении на 1 % ближе к Марсу она погрузится в вечную спячку под толстым слоем льда (Лосев, 1985, с. 44–45). Отметим, что Земля находится очень близко от роковой границы, за которой развитие климата на ней может пойти по вышеприведенным сценариям. Поэтому похолодания периодически дают о себе знать.

2.1. Определение и понятие «живого вещества»

Как отмечалось выше, центральным звеном учения В. И. Вернадского о биосфере является понятие о живом веществе. Не является исключением из этого правила и человек, влияние которого на биосферу сравнимо в настоящее время с природными процессами. В отличие от других живых организмов воздействие людей на биосферу характеризуется:

♦ своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени;

♦ тем воздействием, какое их деятельность оказывает на остальное живое вещество.

Это создание многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных, которые в естественных, природных системах не способны к длительному существованию. Они полностью зависят от человека. Только некоторые из них, уходя от человека, способны к одичанию. Поэтому В. И. Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества, состоящего из всех живых организмов и находящихся в неразрывной связи, как работу единого целого.

В процессе становления живой материи у нее были выработаны отличительные особенности ее строения и функционирования, которым, по мнению В. И. Вернадского, не уделялось особого внимания в прошлом. Здесь, в первую очередь, имеется в виду следующее:

1) открытие Пастером факта преобладания оптически активных соединений, связанное с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

2) недооценка вклада живых организмов в энергетику биосферы и их влияния на неживые тела.

Вернадский подчеркивал:

«Биосфера не есть только так называемая область жизни. Это резко сказывается на ее веществе. Вещество ее состоит из семи глубоко разнообразных частей, геологически неслучайных» (цит. по: Тюрюканов, 1990, с. 30–31). Так, в состав биосферы входит живое вещество, разнообразные неживые тела, которые он называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), биогенное вещество, радиоактивное, рассеянные атомы и вещество космического происхождения. Также здесь присутствуют и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но по эффекту преобразования вещества и энергии, взятому в масштабе геологического времени, она огромна. Практически в биосфере все атомы подавляющего числа элементов периодической системы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Вот почему, создав биосферу, живое вещество так преобразило лик Земли, что имеются все основания говорить об уникальности нашей планеты среди других планет Солнечной системы, а то и большей части планет нашей Галактики.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках ее целостной системы. Поэтому не случайно В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Согласно имеющимся оценкам (в разных источниках отличия небольшие) биомасса единовременно живущих организмов на Земле составляет 2,423 1012 т. На долю водных организмов приходится 0,003 1012 т, а растений-фотосинтетиков – 2,4 1012 т. Биомасса вторичных организмов составляет 0,023 1012 т. В настоящее время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов, а насекомых – 10 000 000 (Тюрюканов, 1990, с. 32–33). Эти цифры не окончательны, но именно это биоразнообразие на протяжении многих веков обеспечивает оптимальные условия для существования многих организмов (включая и человека). Вот почему так важно сохранить его уникальность в будущем. Обоснование этому можно найти в исследованиях как наших, так и зарубежных ученых.

Как уже отмечалось, огромное влияние на существование биосферы и происходящие в ней биогеохимические процессы оказывает астрономическое положение нашей планеты. Удачное ее расположение по отношению к Солнцу, наклон земной оси к плоскости орбиты (66 33'), устойчивое вращательное движение вокруг оси создали тем самым день и ночь, что явилось основным условием появления на Земле умеренного климата и биосферы. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Светило дисциплинирует движение планет, а его активность порождает 11-летние и более длительные циклические колебания земных процессов.

В чем же отличие живого вещества от косного?

1. Изменения и процессы в живом веществе происходят с большей скоростью, чем в косных телах. Следовательно, для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени.

2. В ходе геологического времени на планете постоянно происходил процесс смены старых и появления новых видов живых организмов, которые вносили свой вклад в становление современной биосферы.

В конце кембрия на Земле исчезло 52 % таксонов, в конце девона – 30 %, в конце перми – 50 %, в конце триаса – 35 % и в конце мела – 26 %. Согласно научным публикациям (Галанин, 2001, с. 20), катастрофические изменения в биосфере Земли (резкое уменьшение ее биоразнообразия) происходили примерно на границе галактических годов (галактический год равен приблизительно 250 млн лет). Это – 650,435, 220 и 50 млн лет назад. В другие годы также регистрировалось вымирание видов, но меньшее по масштабу.

Крупные новые таксоны возникают на базе ароморфозов. Механизм вымирания многих видов состоит в том, что «…в эпохи катастроф в живом мире происходят ароморфозы, а в спокойные эпохи – идиоадаптации. В результате идиоадаптаций на Земле появляется большое количество видов, жестко приспособленных к узким экологическим нишам. Именно такие виды быстро вымирают» (Галанин, 2001, с. 51). В геологическом времени они представляются короткосуществующими видами.

3. Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней. Согласно Ч. Дарвину, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. Приспособившись к новым условиям, животные или растения уже не могут вернуться, хотя бы частично, к прежнему состоянию, которое пройдено рядом их предков. Так, вторичноводные животные – киты, ластоногие, освоив водную среду, не превращаются в рыб и не приобретают признаков, свойственных рыбам. Здесь действует закон необратимости эволюции, или «закон Долло».

В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Одновременно с наращиванием мощи живого вещества в биосфере происходило формирование новых ее компонент – почвы, нефти, углей, газа и других сфер. Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникают вопросы:

♦ есть ли такое начало у жизни?

♦ если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе?

♦ может ли возникнуть живое из неживого?

Попробуем на них ответить в следующем разделе.

2.2. Гипотезы возникновения жизни на Земле

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие мыслители: религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. Не имея глубоких научных данных, они вынуждены были строить самые фантастические гипотезы.

Вплоть до XIX в. считалось, что живые организмы могут появиться в гнилом мясе, в сенной настойке, в мясном бульоне и т. д. (теория самопроизвольного, спонтанного зарождения жизни). Опроверг эти взгляды итальянский биолог и врач Ф. Реди, который на основании проведенных экспериментов установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гнилом мясе, – это личинки мух. Поэтому, согласно его мнению, жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательную точку в этих спорах поставил Л. Пастер. На основе известных опытов он показал, что никаких организмов ни в бульоне, ни в других питательных средах появиться не может.

Предлагался еще ряд теорий – стационарного состояния, панспермии и биохимической эволюции. Наиболее убедительной является последняя теория, разработанная А. И. Опариным и Дж. Холдейном в 1924-27 гг. Эту теорию можно сформулировать в виде следующих постулатов:

1) жизнь является одной из стадий эволюции Вселенной;

2) возникновение жизни есть результат предшествующей ей химической эволюции;

3) переход химической эволюции к биологической происходил на стадии формирования многомолекулярных систем и их естественного отбора.

В. И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Как ученый, он вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, утверждая, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Поэтому в его трудах круг вопросов, связанных с идеей о космическом характере жизни, получил серьезное обоснование. В настоящее время считается, что «жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости прибегать к помощи сверхъестественного разума в объяснении происхождения жизни» (Концепция современного естествознания, с. 341–356).

По мнению В. И. Вернадского, жизнь как материя и энергия, существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что в земных слоях не обнаружены промежуточные звенья перехода неживой материи в живую. Во всяком случае, нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни. Последние достижения молекулярной биологии, генетики и других наук подтверждают земное происхождение жизни, не привлекая для этого другие экзотические версии.

2.3. Химическая эволюция на Земле

Одна из современных гипотез утверждает, что наша планета никогда не была расплавлена полностью (Лосев, 1985, с. 40–41). Предположение о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась теплом, выделившимся при распаде радиоактивных элементов, принадлежит Ю. Ю. Шмидту. Оказывается, в процессе аккумуляции планет в газопылевом облаке, где главным их источником являлись твердые частицы, могли образоваться очаги расплавленной магмы, в которых начиналась дифференциация Земли на силикатную мантию и железное ядро (Рускол и Сафронов, 1990, с. 72–79). Действительно, если бы планета изначально была огненно-жидким телом, то должны были бы сохраниться мощные отложения карбонатных осадков, выпавших из охлаждающейся атмосферы. Подобных осадков нет.

Имеются и другие факты, подтверждающие идею Шмидта. Например, из раскаленной атмосферы улетучились бы благородные газы, но они сохранились, и т. д. Знание начальных сценариев формирования Земли важны для понимания ее роли в возникновении жизни, а, следовательно, и ее биосферы.

Изучая химический состав пузырьков воздуха, извлеченных из древних пород Земли, ученые установили, что он состоял из азотно-аммиачно-углекислых компонентов.

Этот факт свидетельствует о том, что на первых этапах становления планеты в ее атмосфере отсутствовал кислород. Она была восстановительной. Если бы это было не так, то появляющиеся первые органические вещества сразу бы окислялись. Выяснено, что в лабораторных опытах получить органические соединения из неорганических элементов можно только при отсутствии кислорода. Кстати, не из-за агрессивности ли кислорода многие животные, в том числе и человек, не имеют его про запас (депо этого газа). Так, без пищи можно прожить много дней, без воды три дня, а без кислорода – минуты.

Правильно ли ученые составили представление о химическом составе первичной атмосферы?

Доказательством этому является тот факт, что в древних морских отложениях железных руд было обнаружено высокое содержание закисного железа (FeO) по отношению к окисному (Fe2O3). Если бы атмосфера была окислительной (содержащей кислород), то окисное железо не вымывалось бы в океан, а, следовательно, сохранялось в коре континентов.

Существуют убедительные доказательства того, что в становлении трех геосфер (атмосфера, гидро– и литосфера) основополагающую роль сыграл ряд совпавших между собой процессов:

1) разогретая планета;

2) бескислородная атмосфера;

3) активная вулканическая деятельность.

Огромную роль в «запуске» конвейера химической эволюции играли вулканы. Через тысячи вулканических жерл из глубин Земли на поверхность было вброшено огромное количество газов и водяного пара. Бдагодаря им в атмосферу поступили сероводород, метан и аэрозоли соляной и фториевой кислот. Сейчас из своих недр Земля выбрасывает ежегодно через вулканы 3 1015 г вещества. За всю историю планеты вулканы выбросили 2,86 1025 г

(Лосев, 1985, с. 41) (округляя, 3 1025 г) веществ. Дегазации из этой массы водяных паров было вполне достаточно для возникновения гидросферы, которая состояла из воды с резко выраженной кислой реакцией. Так как атмосфера была лишена кислорода и являлась разреженной и холодной, это способствовало конденсации водяного пара в жидкость, насыщенную растворенными в ней агрессивными газами. В нашем понимании это была не вода, а смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. Отсутствовал озоновый экран (для его создания в атмосфере было необходимо наличие соответствующей концентрации кислорода). Следовательно, ультрафиолетовое излучение Солнца препятствовало зарождению жизни на суше. К ее поверхности свободно проникала «жесткая», смертельная для живых организмов радиация, заключенная в пределах от 0,8 10-7 до 0,39 мкм. Из этого следует, что возникновение жизни происходило в океане.

Прежде всего, в основе живого могут лежать только углеродные соединения. Причина заключается в том, что характер химических связей в углеродном соединении принципиально отличен от всех других. Атомы углерода могут образовывать ковалентные связи с 4 атомами углерода. Поэтому на основе углерода может существовать огромное разнообразие конфигураций размеров структур молекул и соединенных с ними функциональных групп, которые невозможны для иного другого химического элемента. Только кремний может быть конкурентом углерода, но, несмотря на то, что этот элемент имеет большее распространение в природе, чем углерод, в присутствии кислорода связи кремний-кремний нестабильны, и это предопределяет невозможность жизни на основе кремний-органических соединений. Таким образом, углерод явился важнейшим конструкционным элементом (связующим «материалом») всех живых организмов.

Особая роль в зарождении жизни на Земле принадлежит воде. Если рассмотреть химический состав живого вещества, можно убедиться в том, что среди многих ее веществ на первом месте по массе стоит вода (75 и более процентов). Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. Уже этого факта достаточно для того, чтобы утверждать, что все живые организмы вышли из океана. Поэтому, например, не вызывает удивления тот хорошо известный факт, что соотношения основных химических компонентов в морской воде и в крови практически одинаковы.

В чем же уникальность воды?

Оказывается, что она может находиться в трех фазах – жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар) – и является хорошим растворителем. Очень существенным моментом в функционировании океана является постоянство его солевого состава как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Выше уже упоминалось о том, что основатель учения о биосфере В. И. Вернадский даже предлагал принять соотношение основных компонентов морской воды за константу нашей планеты, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Стабильность химического состава морской воды свидетельствует о том, что океан следует рассматривать как систему, способную сохранять постоянство своего внутреннего состояния – гомеостаз. Следовательно, гидросфера является саморегулирующейся системой, находящейся в относительно равновесном (стационарном) состоянии. При отклонении же ее параметров от таковых включаются механизмы, приводящие ее в первоначальное состояние. Это возможно при условии, что океан подчиняется принципу Ле-Шателье. Данная особенность океана, по-видимому, предопределила у живых организмов постоянство внутренней среды (плазма крови и др.), нарушение которой чревато самыми серьезными последствиями для его жизнедеятельности. Вот почему, даже будучи изолированными от океана, неузнаваемо меняясь по форме и содержанию в новой обстановке на протяжении миллионов лет, живые организмы не утратили химических особенностей морской воды.

Элементы, из которых построена молекула воды, – кислород и водород – порознь представляют собой элементарные электростатические сбалансированные системы. Сведенные в одну молекулу два атома водорода и один атом кислорода формально ничего нового не внесли в молекулярную структуру воды. Суммарная масса ее молекулы и взятых порознь ее составляющих элементов равна 18 атомным единицам. Число элементарных частиц – протонов, электронов и нейтронов – тоже одинаково. Однако по свойствам молекула Н2О – это не просто сумма 2Н и О, а нечто новое, элементы которого определенным образом взаимосвязаны и организованы. Суть данного свойства заключается в том, что свойства целого (молекула воды) не сводятся к сумме свойств его частей. Искомая закономерность именуется эмерджентностью. Эти свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы самих компонентов (Одум, 1986, с. 15–18). Аналогичное утверждение можно найти в работах отечественных ученых (Самарский, 1989, с. 9–29). Они считают, что результат «одновременного действия нескольких факторов на какой-либо объект неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности» (нарушение принципа суперпозиции). Здесь вполне уместны вопросы: а есть ли какой-либо реально ощутимый эффект эмерджентности системы? Есть ли какая-нибудь ощутимая разница в том, представляет ли собой вода определенным образом организованную совокупность взаимодействующих элементов (систему), или это просто огромное количество молекул Н2О?

Можно, в соответствии с таблицей Менделеева, рассчитать свойства и состояние «воды», не обладающей присущей ей структурной особенностью. Для этого нужно экстраполировать характеристики химических аналогов воды, соединений водорода с элементами той же подгруппы, что и кислород. Оказалось, что температура плавления воды вместо 0 С должна бы быть равна -95 С, а температура кипения вместо 10 °C должна быть -65 С. Следовательно, если бы вода была «нормальным» веществом, без водородных связей и обусловленной ими упорядоченности, она существовала бы на Земле только в виде пара, как сероводород. Если допустить, что модельная вода смогла бы обладать свойствами истинной жидкости, т. е. находиться в трех фазах и даже кипеть при 10 °C, то теплоемкость этой воды все же была бы значительно ниже истинной и Землю бы «лихорадило»: температура то очень быстро поднималась бы до 10 °C с плюсом, при этом испарялась бы вся масса воды, то так же быстро падала ниже 10 °C, со знаком минус, и океан превращался бы в лед (Лебедев и др., 1974, с. 9899).

3.1. Аминокислоты

Сформировавшиеся физико-химические условия на первобытной планете можно отождествить с установкой С. Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, существовавших в тот период. Единственная разница в экспериментах заключалась в том, что на Земле такой эксперимент осуществлялся в гигантских масштабах и в течение длительного времени.

Газы, высвобождающиеся из щелочных пород земной поверхности и при извержении вулканов, создали атмосферу, которая состояла из N2, H2, CO, H2O и некоторого количества CO2. Ультрафиолетовое излучение Солнца способствовало образованию цианистоводородной кислоты (HCN). Удивительно то, что облучение раствора HCN жесткой радиацией или пропусканием через него электрического разряда способствует синтезу NH3 и аминокислот, главным образом серина и глицина, а также и других соединений. В образующейся новой смеси, состоящей из воды, аммиака и HCN происходит синтез аденина и амидов. Облучение растворов метана, аммиака и водорода способствует образованию аминокислот, жирных кислот и пуринов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот РНК и ДНК (Проссер, 1977, с. 242–243).

Эти факты свидетельствуют о том, что зарождение жизни на Земле было не результатом воли «всевышнего» а естественным движением материи, обусловившим за счет удачного сочетания физико-химических процессов ее появление. В настоящее время в различных объектах живой природы обнаружено до 200 различных аминокислот. В организме человека их около 60, но в состав белков входят 20, называемых незаменимыми (природными). Достаточно веские аргументы позволяют утверждать, что все живое на Земле имеет в своей основе некую «таблицу Менделеева» простейших элементов – аминокислот. Они, подобно атомам неживой природы, остаются одними и теми же практически для всего живого – от бактерий и растений до человека. Следует отметить, что кроме аминокислот существует еще один вид «атомов» живого – восемь мононуклеотидов, из которых образуются нуклеиновые кислоты. Важно подчеркнуть, что оба вида «атомов» живого вещества были получены экспериментальным путем (Хазен, 1988, с. 112–114). Напомним некоторые общеизвестные истины из биохимии.

Аминокислоты – это органические кислоты, у которых атом водорода а – углеродного атома замещен на аминогруппу – NH 2 . В составе всех аминокислот имеются общие группировки вида – CH 2 – NH 2 , -COOH, а боковые цепи аминокислот – радикалы (R) – различаются. Радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.

В зависимости от способности вращать плоскость поляризованного луча и иметь стереоизомеры в природе встречаются два вида аминокислот – L-и D-типов (Ермолаев, Ильичева, 1989, с. 26–27). Оказывается, что большинство живых организмов имеют в своем составе L-аминокислоты. Почему? Можно полагать, что это связано с особенностями питания живых организмов, а, следовательно, строительством ими собственных белков. Выяснено (Проссер, 1977, с. 242–255), что аминокислоты, принадлежащие к L-ряду, лучше усваиваются, чем D-аминокислоты, которые, к тому же, являются токсичными. Только фенилаланин и метионин могут у большинства организмов усваиваться в D-формах. Действительно, прав был И. Ньютон, считавший, что «Природа не роскошествует излишними причинами». Эволюция «выбрала» L-вариант построения живого вещества.

Существуют ли еще какие-либо независимые наборы аминокислот, на основе которых могла бы образоваться сложная система миллионов видов живого?

Ответ на заданный вопрос можно проиллюстрировать следующими уникальными данными, приведенными в монографии А. М. Хазена (1989, с. 115–116).

На глубине 2600 м в подводном вулкане калифорнийской стороны Восточного Тихоокеанского хребта были обнаружены бактерии, способные жить при температуре +25 °C и давлении 265 атмосфер. При снижении температуры ниже 8 °C они погибали. В их состав, как и у всех обычных бактерий, входят белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Но более 25 % аминокислот, образующих «атомы» этих бактерий, имеют структуру, не совпадающую с аминокислотами, обычными для живого на Земле. Источником питания для бактерий служат минеральные вещества, главным образом сера.

Там же обнаружены более высокоорганизованные формы живого (моллюски, погонофоры), которые значительно отличаются от всех обитающих на Земле существ. Однако эволюция избрала иной путь становления биосферы.

И это не случайно. Остановимся на этом вопросе детальней.

3.2. Комплексные соединения и живое вещество

Известно, что для нормального функционирования живого необходимо было распределить выполнение реакций в клетке таким образом, чтобы они совершались в определенной последовательности и в пространственно разделенных областях. Точнее, огромное количество тех или иных реакций не могут происходить в одном и том же месте, а поэтому клетка по своему составу должна быть разнородной, т. е. гетерогенной. По мере усложнения живого вещества его «ячейка», клетка, становилась все более совершенной.

Здесь уместен вопрос: является ли достаточным и необходимым условием для клеток наличие только белков, жиров и углеводов, из которых живые «машины» строят свое тело и без которых они не могут нормально функционировать?

Ответ однозначен: эти компоненты являются базовыми для живых систем. Они обеспечивают их строительным «материалом» и энергией. Но эволюция не остановила свой выбор только на данных органических веществах. Не меньшую роль в переходе неживого в живое сыграли металлы, которые запустили механизмы ускорения реакций в процессах адаптаций пробионтов к окружающей среде. Можно полагать, что соединение первичных форм органического вещества с металлами изменило саму суть существования этой формы материи. Действительно, внимательный анализ проблемы становления живого приводит к выводу, что необходимое сочетание прочности основных биологических структур и высокой химической активности, характерной для реакции в клетках, не может быть достигнуто, если для создания биологических машин пользоваться только органическими веществами (Николаев, 1986, с. 10–11). Официальная наука свидетельствует, что необходимым компонентом живых систем должны быть ионы металлов. Почему?

Ответ вытекает из следующего примера.

Известно, что если попытаться зажечь кусочек сахара, то он начинает с трудом гореть лишь при энергичном нагревании в пламени горелки, но если нанести на его поверхность немного порошка окиси меди, то сахар можно зажечь от пламени спички. Оказывается, что, находясь в ионном состоянии (соединения меди, железа, марганца и др.), металлы выполняют роль катализаторов, или ферментов окислительно-восстановительных реакций. Нет такого органического соединения, не содержащего металла, которое обладало бы столь сильно выраженными каталитическими свойствами в реакциях окисления.

Этот объективно существующий фактор сыграл для «решения природой задачи» – перехода неживого вещества в живое – решающую роль. Следует напомнить, что в клетках организмов содержится около 70–75 % и более воды. Ион металла, находясь в водном растворе, не безразличен к своему окружению. Он вступает во взаимодействия с молекулами воды и образует соединения, в которых на один ион приходится от 4 до 8 и более молекул воды. Химия утверждает, что молекулы многих соединений, например, аммиака, а также воды образуют с ионами металлов разнообразные соединения. Оказывается, что комплексообразование представляет собой одно из самых распространенных явлений в природе. Характерно, что некоторые ионы – Al3+, Zn2+, Mg2+, Na+, OH- и др. приводят к упорядочению структуры воды вблизи иона, а K+, I-, NO3-, Cl- – к ее разрыхлению. Растворение органических веществ может влиять на структуру воды в еще большей степени. Например, углеводороды настолько способствуют упорядочению структуры воды, что она при нормальной «комнатной» температуре в местах контакта с большой органической молекулой превращается в маленькие «айсберги», которые получили свое название по имени их открывателя – «айсберги Франка – Эванса» (Лебедев и др., 1974, с. 102–103). Следует отметить, что из-за структурных сдвигов в воде, обусловленных неорганическими и органическими веществами, меняются ее физико-химические свойства – растворимость, вязкость и т. д.

Если соединение состоит из центрального иона металла, в непосредственной близости от которого размещены молекулы аммиака или этилендиамина, то образуемые комплексы называют лигандами. Для последующего разделения живого вещества на царства животных и растений особое значение имеют комплексные соединения железа и магния, в которых четыре координационных места занимает одна частица – порфин. Следует отметить, что число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называют координационным числом иона.

Можно считать однозначно, что если бы «природой» не были «изобретены» комплексные соединения, а особенно то, в котором магний играет центральную роль (хлорофилл), на Земле невозможен был бы процесс создания из неорганических веществ органических. Образующиеся при фотосинтезе глюкоза и крахмал фактически являются резервуарами аккумулированной энергии, которую кванты света передали хлорофиллу на первых стадиях этого процесса. Ниже мы остановимся на изложении свойств хлорофилла и других комплексных соединений подробней.

Итак, за период господства восстановительной атмосферы на нашей планете произошли следующие события.

1. Синтез биологически важных органических соединений, таких как аминокислоты, порфирины, жирные кислоты, пурины и другие вещества. Эти процессы происходили в грандиозных по времени и пространству масштабах.

2. В соответствии с физико-химическими условиями того времени (высокие температуры, интенсивная вулканическая деятельность и т. д.) осуществлялась полимеризация аминокислот в некоторые предпочитаемые последовательности, похожие на белки и обладающие каталитической активностью.

3. Формирования первичного «органического» бульона, образование белковых молекул из L-аминокислот.

4. Возникновение металлоорганических комплексов, железо– и магний-порфиринов, которые стали играть роль мощных катализаторов в реакциях окисления с выделением энергии.

И все же до перехода неживой материи в «живую» необходимо было сделать еще один важный шаг – обеспечить образующиеся органические сгустки вещества собственным метаболизмом. Точнее, сформировать механизмы у отделенного от окружающей среды органического комочка, длительное время поддерживать энтропию на минимальном уровне, несмотря на ее стремление к росту. В современной интерпретации – живое вещество должно было обладать свойствами открытых систем. Следует отметить, что попытки объяснить отличие живого от неживого с позиций термодинамики были предприняты давно. Так, например, Э. С. Бауэр (1935), полагал, что жизнь есть следствие устойчивого неравновесного состояния особых молекул. Все (и только) живые системы никогда не бывают в равновесии и постоянно исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условий. Как следует из этого утверждения, оно характеризуется большой неопределенностью. Поэтому прав С. Э. Шноль (1991, с. 78–84), считая, что «сама по себе термодинамическая неравновесность – отнюдь не специфическое свойство живых организмов». Сущность жизни не определяется особым физическим состоянием всех этих молекул. Здесь имеются в виду белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и т. д. Действительно, перечисление характерных для машины деталей и их свойств – двигателя, карбюратора и т. д. – не позволяет нам утверждать, что это есть автомобиль. Следовательно, свершившийся в период становления биосферы переход абиогенных элементов (углерод, азот, водород и кислород – плюс включение в этот набор различных (биогенных) металлов и т. д.) позволил так их организовать, что, разрушая, например, белок, мы убеждаемся в том, что гибнет и сама жизнь. Возможно, данное свойство привело Ф. Энгельса к мысли о том, что жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ – самообновление химических составных частей этих тел.

Существует еще одно определение жизни, данное М. В. Волькенштейном:

«Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» (цит. по: Высоцкая и др., 1995, с. 322).

Из вышеприведенных определений все же остается неясным, какие механизмы обусловили переход неорганических веществ, которые широко распространены в природе, в органические, т. е. те, которые лежат в основе живого? Широко распространенная ранее идея о возможности самосборки аминокислот и пептидов сразу до живых клеток, по-видимому, должна быть отвергнута в ничтожной вероятности такого события. Имеются экзотические примеры подобной, практически нулевой вероятности, типа: «ураган, пронесшийся над свалкой, может привести к сборке современного самолета». Но ведь природа производила эксперимент не с единичными объектами, а над статистическим массивом, т. е. системой, состоящей из большого числа одинаковых объектов. Действительно, вместо многократного бросания одной монеты можно рассматривать одновременное бросание многих монет, при этом число выпавших гербов или решек будет близко к наиболее ее вероятному значению, т. е. 1/2. Однако и эти примеры являются малоутешительными для ответа на главный вопрос – как возникла жизнь?

Можно полагать, что ответ на вопрос, «в чем же сущность жизни?», следует искать, исходя из теоремы К. Геделя: «…полное эпистемологическое описание языка А нельзя осуществить на том же языке А, ибо в языке А нельзя определить понятие истинности предложений языка А». Если выразиться точнее, – нельзя указать окончательные границы познания, нельзя взглянуть на мир, в котором живет человек, не выйдя за его пределы. И все же многие факты свидетельствуют, что результатом химической эволюции явилось возникновение первых форм жизни – клеток.

4.1. Образование мембран – основа начала жизни

Рассматривая гигантское многообразие современных живых организмов, можно прийти к выводу, что существовало множество путей развития, берущих начало от реликтовых форм жизни. На самом деле исследования молекулярной эволюции различных биологических видов сводят все пути, как ветви одного дерева, к главному стволу, у основания которого находится общий прародитель всех существующих сейчас видов.

Известно, что первые живые организмы с клеточной организацией обнаружены в земных слоях возрастом около 3,8 млрд лет. Например, древнейшие окаменевшие микроорганизмы, возраст которых 3,0–3,5 млрд лет, обнаружены в Южной Африке, в так называемой «системе Свазиленд». Этим же временем датируется проживание нитчатых и округлых микроскопических (похожих на бактерии) примитивных организмов, остатки которых (многочисленные и разнообразные – около десятка видов) были обнаружены в кремнистых толщах Западной Австралии (у фермы Норд Пол). Следует отметить еще один важный факт.

Так, при микроскопическом исследовании препаратов, изготовленных из кварцитов Гренландии возрастом 3,8 млрд лет, немецкие ученые обнаружили мелкие круглые или овальные удлиненные тельца, содержащие углеродные соединения. Тельца имели фрагменты капсулы, остатки внешней оболочки, характерной для микроорганизмов. Среди сотен одноклеточных организмов в кварцитах обнаруживаются такие, которые находились в стадии деления.

В сланцах Австралии обнаружены остатки сине-зеленых водорослей и окаменелый кольчатый червь, живший 650 млн лет назад. Удивительно, но эти организмы были похожи на современные. Следовательно, с самого начала возникновения жизни нуклеиновые структуры оставались устойчивыми.

Однако до сих пор не было представлено сколько-нибудь достоверных доказательств того, что древнейшие клетки имели современный генетический аппарат. Скорее всего, они были генетически более простыми формами – протобионтами. Существует мнение (Orgel, 1983, p. 65–71), что основу кода протобионтов составляли нуклеотиды, подобные современным нуклеиновым кислотам (цит. по: Дреймер и др., 1989). Предшественники протобионтов – пробионты кода вообще не имели и синтезировали каталитически активные комплексы не ферментативным путем, каждый раз заново во множество известных в настоящее время процессов, составляющих область химической эволюции. В период существования пробионтов и протобионтов жизнь имела уже вполне организованную форму на основе примитивной клетки и каталитически активных олигомеров.

Можно полагать, что обнадеживающее разрешение этой загадки содержится в исследованиях американских ученых, которым, по-видимому, удалось найти промежуточное звено между ДНК, хранящей информацию о строении белка, и самим белком-биокатализатором.

Так, например, в Массачусетском технологическом институте (Гарвард, США) синтезирована молекула, которая служит именно таким «мостиком», – триациловый эфир аминоаденозина (ТЭА), способный к самокопированию. Эта молекула, как и ДНК при бесклеточном синтезе, служит «затравкой» для образования копий. Поскольку эфирный конец ТЭА обладает «липкими» свойствами (характерными для одиночных цепей нуклеиновых кислот), молекулы эфира и аминоаденозина захватываются им и составные части новой молекулы ТЭА сближаются на расстояние, необходимое для образования ковалентной связи. Характерно, что триациловый эфир и аминоаденозин могут полимеризоваться и без ТЭА-матрицы, но в этом случае реакция идет в 100 раз медлененнее, чем с матрицей, т. е. ТЭА обладает каталитическими свойствами (Science, 1990, Vol. 248, № 4963, p. 1609).

Известно, что наличие каталитических свойств и способности нуклеиновых кислот самокопироваться открыли С. Олтмэн и Т Чек. Что же удалось доказать двум лауреатам Нобелевской премии? Напомним некоторые сведения из молекулярной биологии.

До работ Т Чека и С. Олтмэна ни у одного биохимика не возникало и тени сомнения в том, что биологическими катализаторами могут быть только белки. Правда еще в 60-х гг. XIX в. Ф. Крик, Л. Оргел и К. Возе предполагали, что на ранних этапах эволюции рибонуклеиновая кислота (РНК) могла быть ферментом, т. е. обладать этим свойством. В конце 1970-х гг. было выяснено, что многие гены (особенно у эвкариот) построены мозаично. Они состоят из экзонов (значащих участков) и интронов (соединяющих экзоны, в которых для данного гена не содержится осмысленной информации. Антисмысловые РНК регулируют активность генов. В ходе процессинга особого типа, получившего название сплайсинг, интронные участки РНК вырезаются, а экзонные сшиваются друг с другом в строго определенных местах и в строго определенном порядке. Как правило, сплайсинг обслуживают специальные белки-ферменты, одни из которых разрезают, а другие сшивают полинуклеотидные цепи РНК.

Т. Чек занялся поиском этих ферментов. В результате тонких, оригинальных опытов он обнаружил, что в контрольной пробе, не содержащей никаких белков, сплайсинг шел самопроизвольно. Точнее, интронный участок выбрасывался из РНК, а экзонные участки правильно сшивались автокаталитическим путем, без участия белков-ферментов. Дальнейшие эксперименты, проведенные почти одновременно Т. Чеком и С. Олтмэном на двух разных примерах, показали, что РНК может быть ферментом – она способна катализировать специфические химические превращения поли-нуклеотидных цепей других молекул РНК. Автор этого открытия размышляет следующим образом:

«…на заре возникновения жизни система белкового синтеза состояла только из РНК. Иными словами, «доисторическая рибосома могла обходиться вообще без белков». Данное открытие может окончательно решить проблему зарождения жизни на нашей планете, т. е. земного ее происхождения.

В соответствии с данным открытием можно ли считать, что первые формы жизни, вероятно – доклеточные, тоже обходились без белков, а значит, и без рибосом? Вообще с биохимической точки зрения, у живого есть две характерные особенности. Это хранение и передача генетической информации и катализ всех химических реакций в клетке. Мы знаем, что нуклеиновые кислоты несут ответственность за хранение и передачу информации, а белки – за катализ. И здесь кроется главная загадка эволюции жизни. А при зарождении жизни, что появилось раньше – информация или катализ, т. е. нуклеиновые кислоты или белки? Можно полагать, что в начале жизни были именно РНК. Это привлекательная гипотеза, потому что была обнаружена способность РНК участвовать и в другой каталитической реакции без помощи белков – в сборке нуклеотидов в длинные цепи. Такая сборка лежит в основе возникновения первой самовоспроизво-дящейся системы – неотъемлемого признака живой природы» (Чек, 1988, с. 31–33).

Из имеющихся фактов становления живых организмов наиболее значимыми являются исследования, посвященные возникновению мембран. Действительно, заключив органический коллоид в «своеобразную» оболочку, которая отграничила его от окружающей среды, в эволюции живых систем произошел еще один существенный прорыв – это возможность поддерживать (несовпадающей по своим свойствам с абиогенными веществами) непрерывный процесс обмена веществ и следовательно своего «стационарного» существования. Это когда скорость возрастания энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений (теорема И. Пригожина). Живое вещество обрело свойство осуществлять собственный метаболизм независимо от окружающей среды. Точнее, законы термодинамики не отрицались, но они стали реализовываться в открытых системах иначе.

Уделим возникновению мембран особое внимание. Согласно данным систематики к настоящему времени обнаружено большое разнообразие живых организмов. Это наводит на мысль, что в процессе эволюции существовало множество путей развития, берущих начало от реликтовых форм жизни. Однако исследования молекулярной эволюции свидетельствуют, что началу возникновения всех существующих сейчас видов положил их общий прародитель – протобионты. Оказывается, появлению первых организмов предшествовали отделенные мембранами первичные клетки, построенные из несложных молекул; затем клетки, содержащие олигопептиды, и только потом – генетический материал (Дреймер с соавт., 1989, с. 4).

В связи с этим особая роль отводится мембранам, которые стали главными и необходимыми условиями возникновения жизни. Как же образовались мембраны, точнее, как все происходило? Напомним современные представления о строении мембран.

Клеточная, или плазматическая, мембрана – это барьер, отделяющий цитоплазму всех клеток про– и эукариот от окружающей среды. Он состоит из липидов, белков и углеводов. Мембранами окружены некоторые внутриклеточные органеллы – митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и ядро.

Липиды природных мембран в основном представлены фосфолипидами, у которых одна или две жирнокислые цепи этерифицированы либо глицеролом (трехатомный спирт), либо сфингозином (аминоспиртом), а к третьему атому углерода присоединена фосфатная группа, с которой в свою очередь связана полярная группа, например холин.

Липидный биослой – это структура, характерная для плазматических мембран всех живых клеток. Толщина этого слоя составляет примерно 45 нм в зависимости от типов присутствующих в нем жирных кислот. Неполярные хвосты липидных молекул обращены друг к другу, а полярные головки остаются снаружи биослоя, образуя внутреннюю и наружную гидрофильные поверхности.

Кроме липидов в клеточной мембране присутствуют два типа белков – интегральные и периферические.

Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь. У них есть центральное гидрофобное ядро, взаимодействующее с жирнокислотными цепями, и гидрофильные концы, контактирующие с клеточным содержимым и с окружением.

Периферические белки не пронизывают мембрану и связаны с ней менее прочно. Кроме этих и других черт, всем природным мембранам присуща асимметрия. Это обусловлено тем, что липидные молекулы, различающиеся в основном своими головными группами, распределены между двумя слоями биослоя асимметрично.

Клетку принято рассматривать как пространство, окруженное мембраной, в котором возможно каталитическое превращение органических веществ и трансформация энергии. Логично предположить, что для осуществления вышеупомянутых функций клетка должна была быть отграниченной от окружающей среды мембраной. В этой связи представляется целесообразным привести ряд примеров, подтверждающих возникновение клеточной организации на нашей планете.

4.2. Возникновение клеточной организации

Учеными было доказано, что после испарения воды из реакционного объема в амфифильных липидоподобных и липидных молекулах формируются жидкокристаллические агрегаты, в которых молекулы расположены периодическими слоями, как в смектических кристаллах. Такие липотропные жидкокристаллические фазы, дающие в поляризованном свете характерную оптическую картину, при последующем разбавлении легко превращаются в мембраноподобные структуры за счет полиморфных переходов (Чистяков, Селезнев, 1977, с. 38–45). Эти и другие исследования подтвердили тот факт, что на самых ранних стадиях химической эволюции могли возникнуть достаточно простые липидоподобные и липидные молекулы, спонтанно образующие мембранные структуры. Следовательно, и формирование систем, подобных протоклеткам, могло предшествовать синтезу более сложных полимерных молекул. Имеются все основания считать, что в период биопоэза (его первого этапа) на Земле за счет высоких температур в присутствии руд различных металлов и при воздействии на смеси газов ультрафиолетового и у-излучения синтезировались не только аминокислоты, но и некоторые сахара, жирные кислоты и азотистые основания. Жирные кислоты в последующем, соединившись со спиртами, могли образовывать липидные пленки на поверхности водоемов, в которых были растворены азотистые основания, сахара и аминокислоты. Растворенные в водоемах белковые молекулы могли адсорбироваться на поверхности липидной пленки благодаря электрическому притяжению к заряженным обращенным в воду липидным головкам. По-видимому, эти условия и предопределили возникновение мембран и встроенных в них белков.

Таким образом, в первичном «органическом бульоне», покрывшем Землю, процесс образования белковых молекул шел за счет Z-аминокислот. Очень рано появились металлоорганические комплексы, в том числе железопорфирины, которые могли играть роль мощных катализаторов в реакциях окисления с выделением энергии. Синтез белковых молекул, вероятно, являлся уже достаточно сложным процессом к тому времени, когда сформировались механизмы трансляции. Белковые «протоклетки» могли образовываться путем формирования поверхностей с избирательными свойствами. Образование нуклеиновых кислот шло независимо от белков, а их комплексы возникли уже позже. Первые организмы представляли собой агрегаты нуклеопротеидов, способных к самоудвоению (дубликации) и связанных с другими белками, осуществляющими ферментативное расщепление органических веществ с выделением энергии. Эти первичные гетеротрофные организмы обладали свойствами, составляющими основу живого. Для них было характерно следующее:

1) способность использовать энергию макроэргических фосфатных связей для выполнения различных жизненных функций;

2) ступенчатый перенос электронов в промежуточном обмене;

3) использование металлопротеидов в качестве катализаторов окислительных процессов;

4) включение Z-аминокислот в естественные белки;

5) активный транспорт ионов через клеточную мембрану;

6) использование одних ионов внутри клеток и удаление других;

7) избирательная проницаемость мембран;

8) регуляция белкового синтеза нуклеиновыми кислотами и многие другие свойства, присущие живым организмам.

Закончившийся процесс формирования первичных организмов предоставил им единственный источник энергии – это питание за счет друг друга. Но насыщаемость океана органикой была ограничена. Поэтому перед эволюцией стоял выбор: или остановиться на этом этапе – в таком случае дальнейшее совершенствование биоты стало бы невозможным – или найти иной вариант обеспечения организмов неиссякаемым источником пищи.

В отличие от консервативной модели А. И. Опарина, основанной на вероятности спонтанного образования белковых агрегатов, на современном этапе развития науки предлагается иной механизм образования предшественников жизни – «абиогенного синтеза сравнительно простых липидоподобных молекул, образующих замкнутые слоистые системы» (Дреймер и др., 1989, с. 4).

5.1. Границы биосферы

Биосфера является одним из трех (гидросфера, атмосфера и литосфера) компонентов климатической системы. Ее можно уподобить тонкой пленке, покрывающей поверхность нашей планеты. Плотность органического вещества равна 1 г/см2. Для сравнения, средняя плотность земной коры – 2,7 г/см3, а планеты – 5,52 г/см3. Несмотря на то что по свой массе живое вещество в 1000 раз меньше массы атмосферы и других геосфер, ее активность огромна. Ранее уже отмечалось, что основатель учения о биосфере В. И. Вернадский открыл управляющую кибернетическую систему биосферы – живое вещество (совокупность всех живых организмов на Земле), которое, подкрепленное солнечной энергией, превратило ее в энергию связи химических элементов. За многолетнюю историю живое вещество в корне изменило и преобразовало планетное вещество в особое, характерное только для нашей планеты вещество – биосферу. В силу особенностей строения планеты, распределения биогенных элементов, неравномерного нагрева поверхности Земли лучами Солнца и т. д. сгущения живого вещества на планете, как по массе, так и по биоразнообразию, не однородны. Границы биосферы приведены в табл. 1.

Следует заметить, что границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Напомним, что верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности Земли и ограничена слоем озона. Гидросфера пронизана жизнью на всю ее толщу, т. е. до 11 км. В литосфере живое вещество встречается на глубине 3,5–7,5 км. Дальнейшее ее проникновение блокируется высокой температурой земных недр, давлением, сплошной темнотой и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Таблица 1

Границы биосферы

Наиболее обильно освоена живыми организмами поверхность суши и океана. Величина биомассы для всей планеты по разным оценкам определяется порядка 3 1012т, при этом 95 % по массе составляют растения и 5 % – животные.

Наличие живого вещества и гидросферы являются отличительными чертами нашей планеты от всех других планет Солнечной системы. Однако определение биосферы как области жизни еще недостаточно и не вполне конкретно для понимания ее роли в динамических процессах нашей планеты. Необходимо учитывать еще ряд компонент, являющихся ее производной, и те функции, которые она осуществляет на нашей планете.

5.2. Основные функции биосферы

В составе биосферы присутствуют вещества, которые различаются между собой по ряду признаков: природные вещества, живое вещество, биогенное вещество, косное вещество, биокосное вещество, органическое вещество, биологически активное вещество, антропогенное и вредное вещества.

Особую значимость для живых систем имеют следующие компоненты:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество;

3) косное вещество;

4) биокосное вещество;

5) радиоактивное вещество;

6) рассеянные атомы;

7) вещество космического происхождения.

Здесь необходимо понимать, что «…биосфера – это понятие планетарное, широкое, намного превосходящее по объему поле исследования биолога, почвоведа и т. д., которое ограничивается «областью жизни». Вот почему при всей яркости термина «биосфера», при всей оригинальности и глубине общего учения о биосфере его нельзя полностью отождествлять ни с «областью жизни», ни с дисциплинами, ее изучающими» (Тюрюканов, 1990). Просто непостижимо, но факты свидетельствуют о том, что все атомы подавляющего числа элементов таблицы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Кроме этих величин, важной характеристикой биосферы являются: ее биомасса, видовое разнообразие растительного и животного мира, скорость продуцирования, т. е. способность видовых популяций создавать органическое вещество. По разным оценкам в наше время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов. Остальная часть биоразнообразия представлена животными и микроорганизмами, а среди первых больше всего видов насчитывает класс насекомых.

Какие же функции выполняет биосфера?

1. Газовая функция. Она заключается в том, что метаболизм организмов, их дыхание и обмен с внешней средой охватывает обширную совокупность разнообразных газовых реакций, ведущих в конечном итоге к поглощению кислорода и выделению углекислого газа, парообразной воды и т. д. Подсчитано, что для полного оборота углекислого газа атмосферы через фотосинтез достаточно 300 лет, а кислорода – 2000–2500 лет, воды через испарение – около 1 млн лет. Ясно, что эта функция в настоящее время может быть изменена за счет интенсивной вырубки лесов и распахивания степей. Роль человека в изменении облика биосферы значительна, что подтверждают данные табл. 2.

Таблица 2

Размеры основных экосистем суши, полученные по данным спутниковых наблюдений (по Лосеву, 1985, с. 57)

2. Окислительно-восстановительная функция. Живое вещество определяет большой спектр химических превращений веществ, включающих атомы элементов с переменной валентностью, – соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В качестве примера можно привести процесс круговорота азота.

Напомним, что включение азота в соединения, могущие использоваться организмами, называется фиксацией. Среди азотфиксаторов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы, живущие в симбиозе с растениями. Известно 200 видов растений, на корнях которых могут развиваться клубеньковые бактерии, усваивающие азот из воздуха. Бактерии Bact. Radicicola обитают на корнях бобовых культур – клевера, люцерны, гороха, сои, люпина. Выяснено, что количество азота, поступающего в растения от клубеньковых бактерий, составляет в некоторых случаях до 50–80 % от общего количества азота, усвоенного растениями. В гидросфере ежегодно фиксируется около 10 млн т азота.

Цепь реакций, с помощью которых организмы окисляют ион аммония до нитратного, или нитритного, или нитритный до нитратного состояния, называется нитрификацией. Эти процессы осуществляются с помощью бактерий Nitrosomonas, Nitrobacter. Первоначально окисляется аммиак до азотистой кислоты: NH3+ + 3O > HNO2 + 66 ккал/моль. Далее происходит реакция кисления нитритов до нитратов: KNO2 + O > KNO3 + 15, 5 ккал/моль.

Денитрификация имеет место, когда в анаэробных условиях микроорганизмы используют для окисления различных веществ кислород нитратов с высвобождением из них азота. Наибольшая роль в денитрификации принадлежит бактериям Pseudomonas. В пресных, загрязненных водах, эту роль выполняет кишечная палочка Escherichia coli. Известно, что «денитрификация почти не идет в аэробных условиях, т. к. в присутствии свободного кислорода организмам энергетически выгоднее использовать его в качестве акцептора электронов при окислении органических веществ, а не кислород, связанный в нитратах. Однако в гидросфере имеются обширные области с анаэробными условиями, благоприятствующие денитрификации, – они наблюдаются всюду, где органических веществ поступает больше, чем кислорода, необходимого для их биологического окисления. К таким областям относятся гипо-лимнион эвтрофных озер, болота и те места, где идет великий приток органики» (Константинов, 1979, с. 336–337).

Аммонификация – это разложение органического вещества до аммиачных соединений азота. Этот процесс происходит, например, в почве под действием аммонифицирующих бактерий по схеме: Белки, гуминовые вещества > Аминокислоты > Амиды > Аммиак.

Аммонификация осуществляется аэробными и анаэробными бактериями. При аммонификации получаются органические кислоты, спирты, оксид углерода и аммиак. Затем эти вещества превращаются в воду, водород, метан. Аммиак частично вступает в реакцию с органическими и минеральными кислотами (угольной, азотной, уксусной и др.).

3. Концентрационная функция. Проявляется в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы, в том числе микроэлементы, из внешней среды (почва, вода, атмосфера). Обычно наибольшая доля в составе живого вещества приходится на кислород (65–70 %) и водород (10 %). Остальные 2025 % представлены разнообразными элементами общим числом более 70. Существуют организмы, обладающие способностью преимущественного накопления отдельных химических элементов в бпольшем количестве по сравнению с составом земной коры и литосферы. Кроме этого в составе животных организмов обнаруживается гораздо более высокое, чем в растениях, содержание Na, Ca, P, N, S, F, Cl, Zn. Следовательно, геохимическая роль растительного и животного мира имеет свой специфический характер. Имеются химические элементы – биофилы, без которых невозможна жизнедеятельность организмов. Это C, H, O, N, P, S, Cl, J, B, Cs, Mg, K, Na, V, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Co, Se.

4. Деструкционная функция. Борьба за пищу как источник энергии и питательных веществ не ограничивается признаком живого.

5. Выделительная и деструктивная – не менее важные функции живых организмов. Можно сформулировать закон, согласно которому ни один организм не может существовать в среде своих выделений (метаболитов) и трупов предков. Если бы не процессы разложения органических веществ до минеральных, то организмы погибли бы от отравления своими выделениями и от «трупных ядов» своих предков. Именно благодаря огромному биоразнообразию живого вещества эта функция сбалансирована, а там где внедряются монокультуры (агроценозы) эта часть пространства характеризуется крайней неустойчивостью. В силу этого природа отвергает монокультуру. Вот почему сохранение биогеоценозов в первозданном виде является жизненнонеобходимой задачей человека, который, вторгаясь в сообщества (промысел, охота, вырубка леса и т. д.), сдвигает их равновесие не в лучшую сторону. Ясно, что среда освобождается от метаболитов за счет действия других факторов – температур, химических агентов. Часть вымывается из почвы и речным стоком уносится в океан. Однако роль живого вещества в этом процессе первостепенна. Можно полагать, что агрессивное воздействие алкоголя на организм животных и человека объясняется тем, что на заре становления живого единственными элементами выделения микроорганизмов, существующих в анаэробных процессах, был спирт (эффект брожения). Поэтому данные отходы жизнедеятельности первичных организмов не могли в процессе эволюции стать еще одним (необходимым) источником энергии для нашего организма. Следовательно, он (алкоголь) для живых систем является ядом. Кроме вышеупомянутых функций живого вещества следует охарактеризовать еще одну – это скорость его растекания по планете. Что имеется в виду?

Живое вещество характеризуется не только биомассой, видовым разнообразием, но и геохимической энергией, т. е. способностью перемещать химические элементы в биосфере. Возможность оценить эту роль количественно предложил В. И. Вернадский. Он предложил за единицу геохимической энергии считать скорость передачи жизни, определяемую темпами размножения. Итак, скорость растекания жизни (V) можно вычислить по формуле:

V = (13963,3 Δ)/ lgNmax,

где Δ – показатель прогрессии размножения вида, – стационарное число особей вида или другой систематической единицы, при заполнении им земной поверхности (5,1 108 км2), 13963,3 – величина, полученная при делении стационарного числа на 365.

Кроме этого, необходимо учитывать предельно наибольшее расстояние, по которому может распространяться жизнь, равное земному экватору (40 075 721 м). Следует иметь в виду следующий факт: геохимическая энергия жизни зависит от скорости размножения организмов – не как автономного биологического процесса, а в соответствии со свойствами биосферы – явления планетарного.

Например, потомство одной бактерии способно захватить поверхность всей планеты всего за 1,47 суток, «растекаясь» со скоростью 33,1 м/с. Для индийского слона эта скорость составит 0,09 см/с. Чтобы воспроизвести массу бактерий равной массе земной коры при беспрепятственном размножении бактериям нужно всего 1,6 суток, зеленым водорослям – 24,5 суток, слонам – 1300 лет (Чернова и др., 1997, с. 8–9).

Живое вещество суши представлено биомассами растений, животных, бактерий и грибов. В составе зообиомассы основная доля (90–99,5 %) приходится на беспозвоночных, и может достигать 105 кг/км2. Особенно велики биомассы беспозвоночных в черноземных, луговых почвах. Если сравнивать фитомассы древесных и луговых сообществ, то по общей величине доминируют древесные, но по биологической активности, наибольшей продуктивности в течение года наибольший эффект в образовании гумуса и почвенного плодородия принадлежит не многолетним формациям древесной растительности, а формациям травянистой растительности. Именно травянистые сообщества, с их быстро текущими жизненными циклами и мощной корневой системой, обеспечивают образование в почвах высокого содержания перегноя и формирование почв высокого плодородия, таких как черноземные, луговые и пойменные. Механизм данного явления можно объяснить тем, что в биоте сформирована (эволюционным путем) важная закономерность.

Так, например, чем крупнее размеры организмов, тем меньше число их видов, тем меньше численность их индивидуумов и тем дольше продолжительность их жизни. И наоборот, с уменьшением размеров организмов крайне возрастает численность их видов и число индивидуумов, но весьма сокращается продолжительность жизни отдельных особей.

Действительно, достаточно сравнить среди гидробионотов показатели динамики численности калуги, белуги или анчоуса, хамсы, а среди наземных популяций животных – тигров и мышевидных грызунов и т. д., чтобы убедиться в справедливости этого правила.

Биосфере присущи многие функции, но энергетическая является одной из центральных. Трудно себе представить облик и состав биоты без этих посредников между Солнцем и другими представителями органического мира. Именно растениям принадлежит главная роль в «переизлучении» солнечной энергии до конечных потребителей – гетеротрофных животных. Однако эволюция, а точнее, законы движения материи (термодинамические закономерности) «распорядились» так, что на каждом трофическом уровне (правило десяти процентов) существуют неизбежные потери некоторой ее части.

В чем причина такого явления?

Попробуем ответить на этот вопрос в следующей главе.

6.1. Общие понятия, термины, определения

В экологии принято количество живого вещества всех групп растительных и животных организмов называть биомассой. Она является результирующей величиной всех процессов жизнедеятельности особей видовой популяции – ее воспроизводства, роста, смертности, выживаемости индивидуумов и т. д. Поэтому учет биомассы (или численности) суммарной массы всех особей популяции или ее изучаемой части, например промысловой, позволяет, в частности, уточнить представления об их экологии. Показатели биомассы (численности) позволяют судить о структуре популяций и биоценозов, динамике их численности, локальной изменчивости и той роли, которую они занимают в экосистемных процессах.

Не менее важной характеристикой видовых популяций являются их продукционные возможности, или продуктивность. Известно, что, для того чтобы образовывать свои ткани, принимать участие в воспроизводстве, осуществлять перемещение в пространстве и т. д., любой живой организм должен получить определенное количество энергии. Из общего ее количества часть энергии идет на поддержание основного обмена (жизни). Определенная доля тратится на активный обмен (движение особи, затраты на самосохранение и другие нужды). Некоторое количество идет на обеспечение роста путем синтеза новой протоплазмы, а также прижизненное выделение веществ – линька, слизь и т. д.

Биологическое продуцирование – это процесс непрерывного новообразования биомассы. От биопродукции следует отличать продукцию органических веществ: в первом случае речь идет о приросте биомассы живых организмов, во втором – об образовании органических веществ в любых формах (Константинов, 1979, с. 372–373).

В иностранной литературе (Одум, 1986, с. 118) принято термин «продуктивность» и выражение «скорость продуцирования» (продукция) считать вполне взаимозаменяемыми. Точнее, оба эти термина – «продуктивность» и «продукция» – считать синонимами.

Например, Ю. Одум (1986, с. 117–119) приводит следующее определение скорости воспроизводства органического вещества: первичная продуктивность экосистемы, сообщества или любой их части определяется как скорость, с которой лучистая энергия усваивается организмами-продуцентами в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, накапливаясь в форме органических веществ. Далее предлагаются следующие ее компоненты:

♦ валовая первичная продуктивность – это общая скорость фотосинтеза, включая те органические вещества, которые за время измерений были израсходованы на дыхание;

♦ чистая первичная продуктивность – скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое использовалось при дыхании растений за изучаемый период. Эту величину называют также «наблюдаемый фотосинтез» или «чистая ассимиляция», и еще, «чистая продуктивность сообщества» – скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами за учетный период, обычно за год;

♦ вторичная продуктивность – скорость накопления энергии на уровнях консументов. Поскольку эти группы потребителей лишь используют ранее созданные питательные вещества, часть, из них расходуя на дыхание, а остальное превращая в собственные ткани, вторичную продуктивность не делят на «валовую» и «чистую».

В работах отечественных ученых (Винберг, 1968, с. 9–19) под «продуктивностью» понимается характерная особенность данной популяции, сообщества или водоема формировать ту или иную продукцию – скорость воспроизводства биомассы. Поскольку в основе продукции лежит прирост живого вещества, эта величина получает выражение в единицах, пропорциональных единицам массы (сырой вес, сухой вес, вес органического углерода или в калориях и др.), отнесенных ко времени (сутки, год и т. д.). Мы считаем это определение более точным.

Уравнение прихода и расхода энергии по всем статьям бюджета для растений имеет следующий вид:

P = p + T + E, (5)

где P, p, T, E, соответственно, валовая и чистая продукция, траты вещества на дыхание и прижизненное выделение органических метаболитов.

Для гетеротрофных организмов балансовое уравнение (5) имеет примерно одинаковый вид. Только под P – принято понимать продукцию гетеротрофного уровня, p – потребленную пищу и T– траты на дыхание (обменные процессы).

Прежде чем привести примеры методов расчета, считаем целесообразным прокомментировать ряд положений термодинамики.

6.2. Положение и законы термодинамики

Общеизвестно, что термодинамику определяют как науку о законах превращения энергии из одного вида в другой. Существование живых организмов, все разнообразие проявлений жизни также сопровождаются превращением энергии, хотя данная величина при этом не создается и не уничтожается.

Система – это совокупность материальных объектов, отграниченных каким-либо образом от окружающей среды. Живые организмы, экосистемы и биосфера относятся к открытым системам, т. е. способных обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.

Энергия – это количественная мера определенного вида движения материи при ее превращении из одного вида в другой. Когда над телом совершается работа, оно приобретает энергию.

Работа – это мера превращения энергии из одной формы в другую. Если сила переместит тело на некоторое расстояние, то говорят, что она совершает работу.

Первый закон термодинамики (основной закон естествознания) утверждает, что энергия не исчезает и не возникает, а только переходит из одной формы в другую в эквивалентных количествах. Этот закон является количественным выражением закона сохранения энергии. Самое важное следствие, вытекающее из этого закона, то, что, зная энергию, переданную системой окружающей среде, можно вычислить изменение внутренней энергии системы. Ю. Одум (1986, с. 105–107) на примере превращения путем фотосинтеза энергии Солнца в энергию пищи, происходящего в дубовом листе, убедительно иллюстрирует действие первого и второго законов термодинамики. Так, если лист трансформирует 100 единиц солнечной энергии, то 98 единиц используются им на собственные нужды и только 2 единицы концентрируются в форме органического вещества (сахара). Суть первого закона очевидна – 100 = 98 + 2. В математической форме этот закон имеет следующий вид:

dU = dQ + dΑ (6)

Следовательно, если система получила какое-то количество тепла (dQ) (энергии) и совершила работу (dΑ), то изменение внутренней энергии (dU) можно определить по этой формуле.

Многочисленные проверки энергетического баланса (6) показали, что организмы не являются источником новой энергии и, следовательно, первый закон термодинамики полностью применим к ним. Первичным источником энергии в организме животных является энергия окисления питательных веществ. Следовательно, «все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ» (Губанов и др., 1978, с. 48–49).

Первый закон термодинамики позволяет определить количественные соотношения между различными формами энергии, которые принимают участие в данном процессе, но по этому закону невозможно установить направление развития процесса.

Это возможно выяснить с помощью второго закона, который устанавливает критерий, отражающий одностороннюю направленность необратимых процессов независимо от их конкретной природы. Колебание маятника является обратимым процессом, потому что, если бы отсутствовали силы трения и другие тормозящие его движение факторы, он мог бы колебаться неограниченно долго. При падении тела с определенной высоты происходит переход его потенциальной энергии в кинетическую. При ударе последний вид энергии переходит в тепло. Обратный (самопроизвольный) подъем тела на заданную высоту невозможен, а поэтому этот процесс является необратимым.

Суть второго закона термодинамики заключается еще в том, что, поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, то эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии в потенциальную всегда меньше 100 %.

Так, из примера, приведенного Ю. Одумом, следует, что количество концентрированной энергии (сахара) листа дуба всегда будет меньше рассеянной ее части (2,98). Термодинамической величиной, устанавливающей меру деградации энергии, является энтропия. Ее изменение (dS) определяется суммарным значением поглощенных системой приведенных теплот dQ/T – где dQи T – соответственно, количество тепла, производимого в обратимом изотермическом процессе, и абсолютная температура, при которой протекал этот процесс.

Самый важный вывод термодинамики заключается в том, что внутренняя энергия системы (dU) равна сумме свободной энергии (часть внутренней энергии, используемой для совершения работы) и связанной энергии (T dS). Связанная энергия является деградированной. Она не используется системой и бесполезно рассеивается в виде тепла. Если брать не приращения, а абсолютные величины, то второй закон имеет следующий вид:

U = F + TS. (7)

В формуле (7) U, F, TS – внутренняя, свободная и связанная энергии. И еще важное следствие было установлено термодинамикой: «все процессы в природе протекают в направлении уменьшения свободной энергии и увеличения энтропии» (Губанов и др., 1978, с. 53–54).

Если в природной системе сформированы условия появления градиентов (перепады давления, разность в солености водных масс или неравномерного нагрева тела и т. д.), то такая система способна совершить работу. Она заключается в передаче тепла от более нагретого тела к холодному, возникновении движения воздушных и водных масс и др. Но при выравнивании градиентов, все наблюдаемые процессы прекратятся, энтропия системы достигнет максимума и она разрушится. Живые системы характеризуются наличием огромного числа градиентов, которые поддерживаются в течение длительного времени. С точки зрения классической термодинамики такое положение невозможно (жизнь в этом смысле является невероятным состоянием). Смерть живого организма, разрушение экосистемы и т. д. может означать приближение биосистем к их термодинамическому равновесию.

Так что же – второй закон термодинамики неприменим к живым системам?

Оказывается, что все недоразумения снимаются, если их рассматривать не как изолированные, или закрытые, а как открытые системы. Следует отметить, что теория открытых систем была разработана И. Пригожиным и другими учеными.

Открытыми системами называются все живые организмы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом и энергией. Из этого определения вытекает фундаментальное свойство живых систем. Оказывается, что они обладают двумя видами свободной энергии (обозначим как dE) и энтропии dЭ): dF и dS – это изменение свободной энергии и энтропии, протекающих за счет процессов жизнедеятельности внутри организма (как и в классической термодинамике), и df и ds – изменение свободной энергии и энтропии, обусловленное взаимодействием с окружающей средой:

dE = dF + df, (8)

dЭ = dS + ds.

Таким образом, если бы биосистемы не обменивались энергией и веществом с окружающей средой, то они бы неуклонно приближались к термодинамическому равновесию. Это не происходит, т. к. данный вид энергии постоянно восполняется за счет поступления из внешней среды (питательные вещества). Энтропия выводится из них путем удаления конечных продуктов обмена и теплоты. В биосистемах постоянно продуцируется положительная энтропия, а из окружающей среды в них поступает отрицательная (негэнтропия) энтропия. Анализируя (8), можно прийти к интересным закономерностям. Если изменение внутренней энтропии (d5) равно изменению отрицательной (-ds), то общее ее изменение в биосистеме равно нулю. При иных соотношениях она может увеличиваться или даже уменьшаться. Это в микроинтервалах времени, но с возрастом энтропия все же возрастает, что находится в полном соответствии со вторым началом. Естественно, что своим неразумным отношением к себе (потребление наркотиков, алкоголя, переедание и многое другое) человек способен ускорить рост внутренней энтропии, переводя систему в деградирующее состояние – гибель организма. В соответствии с закономерностью (8) можно записать критерий стационарного состояния биосистемы. Он имеет вид:

dS / dt = – ds / dt. (9)

Формула (9) понимается следующим образом: если изменение во времени внутренней энтропии равно изменению негэнтропии, то параметры системы остаются постоянными. Следовательно, такое состояние живых систем следует понимать как стационарное. Подведем итоги наших рассуждений.

1. Биосистемы представляют собой открытые термодинамические системы, которые на протяжении длительного времени могут находиться в стационарном состоянии. Свойство поддерживать параметры в неизменном состоянии называется гомеостазом. А это возможно при наличии в биосистемах механизмов управления: положительных и отрицательных обратных связей, присущих кибернетическим устройствам. Изучение свойств открытых систем позволило сформулировать основное свойство стационарного состояния (теорема Пригожина): в стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленного протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений. Так как энтропия является мерой рассеивания свободной энергии, то в стационарном состоянии ее значение минимально.

2. Биосистемы стремятся работать в наиболее выгодных энергетических режимах. Если же она выведена из равновесного состояния, то в самой биосистеме начинают работать процессы, стремящиеся вернуть ее в первоначальное состояние, а эффект внешнего воздействия ослабляется (принцип Ле Шателье).

3. Таким образом, в процессе эволюции живых систем, включая организмы, экосистемы и биосферу в целом, ими была выработана важнейшая термодинамическая особенность – это способность их создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии (света, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую).

4. Упорядоченность экосистемы, т. е. сложная структура биомассы, поддерживается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно откачивает из сообщества неупорядоченность.

6.3. Второй закон термодинамики и правило десяти процентов

Принято считать, что отношение произведенной работы (Α) к изменению свободной энергии (dF), израсходованной на эту работу, называется коэффициентом полезного действия (КПД)

КПД = A/dF 1. (10)

Действительно, при совершении работы в живых организмах (биохимические и биофизические процессы, сокращение мышц и т. д.) часть свободной энергии рассеивается в тепло, а следовательно их КПД меньше единицы.

Ответим с позиций второго закона термодинамики на вопрос: а почему в экосистемах невозможно большое количество трофических уровней, какова величина их КПД? Для этого рассмотрим поток энергии, проходящий через различные трофические уровни пищевой цепи.

Обычно первый уровень трофической цепи представлен продуцентами, т. е. зелеными растениями, которые создают первичную продукцию. Из общего количества ФАР лишь часть ее поглощается хлорофиллом, который осуществляет синтез органического вещества. Большая часть рассевается и превращается в теплоту. Чистая продукция (см. формулу 5) служит пищей травоядным в виде реального (суточного или годового и т. д.) рациона, которая усваивается организмом и переходит в ассимилированную ее часть. Следовательно, первичная продукция преобразуется во вторичную, представленную организмами разного трофического уровня. Опять же, как и в случае с зелеными растениями, часть ассимилированной пищи идет на рост животного, а большая часть тратится на обменные процессы и другие нужды. Сформированную чистую продукцию травоядных потребляют хищники, общая продукция которых состоит из чистой (прирост массы тела) и затрат на дыхание. Приведем балансовое равенство общего бюджета энергии:

ΔW = qR + T, (11)

где ΔW, q, R, T – соответственно, прирост массы тела животного, коэффициент усвояемости пищи, рацион и траты на обменные процессы.

Если сопоставить формулы (5) и (11), то нетрудно заметить, что траты энергии (Т) ассимилированной пищи (во всех ее видах) по существу аналогичны величине связанной энергии (в формуле 9), т. е. той ее части, которая не может быть использована в последующих процессах функционирования систем.

При каскадном переносе энергии, с одного трофического уровня на другой ее уровень в среднем переходит 10 % энергии. Происходит это в силу второго закона термодинамики. Потери на дыхание, энергия, которая не может быть использована последующим трофическим уровнем. Это общеприродная закономерность и, независимо от того, поедали бы зеленые растения травоядные, а последних – хищники, в этом процессе природой был поставлен запрет.

Приведем ряд коэффициентов, используемых при изучении продукционных процессов.

Отношение ассимилированной пищи (A 2 ) на данном трофическом уровне (n) к ассимиляции (A1) на предшествующем трофическом уровне (n – 1) называется экологической эффективностью экосистемы, т. е.

экологическая эффективность = (A2/A1) 100.

Коэффициент использования ассимилированной пищи на рост, в соответствии с закономерностью (13), имеет вид:

К2 = ΔW/(ΔW + T) = ΔW/qR = ΔW/A. (12)

Выражение qR = A называется ассимилированным рационом или ассимилированной пищей. Вторичная продукция, будучи трансформированной формой первичной продукции, не может быть выше произведения последней на коэффициент полезного действия, т. е. К2. Обычно суммарная продукция следующего трофического уровня не превышает 0,1–0,2 той, которая аккумулирована в организмах предыдущего звена пищевой цепи. В качестве примера приведем основные черты трофической пирамиды (табл. 3). Как видно из таблицы 3, наибольшую эффективность имеет конечная ступень пищевой пирамиды – наиболее крупные животные. Цена этой эффективности – высокий расход энергии хищниками, связанный с их активностью в поиске и поимке жертвы.

Следует отметить, что использованный энергетический подход к анализу потоков энергии через трофические уровни является методически правильным приемом.

Таблица 3

Поток энергии в одном из наземных сообществ (в калориях на гектар в год, по К. Уатту, 1971, с. 46)

Примечание. Обозначения в табл. 3 такие же, как и в монографии К. Уатта.

Дело в том, что энергия используется единожды и необратимо теряется. Если же отобразить продукционные циклы в единицах вещества, то имеется возможность его неоднократного учета, потому что за счет круговорота веществ оно возвращается в экосистему.

7.1. Общие положения

Как отмечалось выше, биомасса живых организмов (любого систематического уровня) характеризует один из аспектов биосферы. Зная ее величину, можно составить представление о количестве изъятых из окружающей среды биогенных элементов. Однако этот показатель еще не дает основания судить о скорости их оборачиваемости в системе «окружающая среда – живое вещество». Речь идет о биогеохимических круговоротах. В этом плане большое влияние на динамику биосферы оказывают такие процессы, как скорость круговорота веществ, которая в свою очередь во многом определяется скоростью продуцирования органических веществ. Кроме этого, немаловажное значение для формирования биогеохимических циклов характер воспроизводства организмов, смена их поколений и, в конечном итоге, особенности динамики численности многих видов популяций растений и животных.

Известно, что существуют организмы, обладающие способностью преимущественного (более 10 %) накопления отдельных элементов, таких как кремний, железо, сера, фосфор и др.

Так, например, фораминиферы и радиолярии (простейшие животные) в составе своих скелетов содержат углекислый кальций, кремнезем. После отмирания их скелетики в громадных количествах опускаются на дно и формируют радиоляревые илы. Часть углекислого кальция растворяется в воде (не достигая глубин 5000–6000 м) и вовлекается в планетарный обмен. Подсчитано, что реками в океаны и моря ежегодно выносится около 109 т CaCO 3 , которые затем переходят в донные осадки. Основную же массу известковых осадков дают скелетные остатки морских животных (в основном планктон). Эти осадки широко распространены в низких широтах. Далее, в процессе геологических преобразований, известковые породы попадают на сушу, где, растворяясь дождевыми, речными, подземными водами, снова вовлекаются в планетарный круговорот. Возможен еще один сценарий кругооборота веществ. В результате движения литосферных плит океаническая кора погружается в мантию. Она уносит туда и морские отложения, которые накопились на дне. Следовательно, мантия обогащается не только неорганическими элементами, но и горными породами органического происхождения. Все это оказывает влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение зон со временем меняется. Изменяется вещество Земли, которое находится в постоянном движении. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава, но и горячая минерализованная вода, богатая медью, цинком и другими химическими элементами. Температура в зонах выброса воды достигает 3300 °C. Это так называемые гидротермы, способствующие в дальнейшем образованию наростов, столбов и труб высотой до 27 м. По этим трубам поднимается горячий раствор, и мелкие минеральные частицы попадают в воду. Название у труб экзотическое – курильщики. Около них кипит жизнь, состоящая из бактерий, моллюсков, крабов.

Осмысливая становление биосферы, ее эволюцию, нельзя не отметить тот факт, что в каждые исторические эпохи формировалось неравномерное распределение живого вещества по планете – его мозаичность. Данная закономерность порождалась своими центрами видообразования организмов, наличием соответствующих климатических и почвенных условий, интенсивностью круговорота веществ и другими факторами. Поэтому современный вид биосферы является отражением тех далеких геохимических и геофизических процессов, которые сформировали ее лик. Убежденность ученых в том, что в прошлом палеобиогеоценозы функционировали подобно современным, опирается на актуалистический метод. Смысл его заключается в следующем: на прошлое распространяют те закономерности, которые наблюдаются в настоящее время, или «современность – ключ к пониманию прошлого».

Например, сейчас в тропическом лесу на площади 2 га можно насчитать более 200 видов растений, тогда как в смешанном лесу умеренного пояса – только 10 видов. Значит, если в древних отложениях обнаруживаются остатки вечнозеленых растений, пальм, крупные листья и богатое биоразнообразие, – то можно утверждать, что в этот период на данной территории климат был подобен тропическому, а если попадают растения с мелкой листвой или колючками, присутствием опушения или воскообразного налета, – это зона аридного климата (современных пустынь) и т. д.

В свете вышеизложенного следует полностью согласиться с утверждением А. Н. Тюрюканова: «…биосферная концепция Докучаева – Вернадского убедительно доказала, что исторический метод – это метод активного и объективного познания окружающего нас мира; показала, как возник и как развивался лик планеты под воздействием живого вещества и почему мы застали его таким, а не иным» (1990, с. 39–40).

7.2. Большой и малый круговороты веществ в биосфере

Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Поступление солнечной энергии привело к тому, что на Земле сформировались два круговорота веществ: большой (биосферный) и малый (внутриэкосистемный).

Первый круговорот имеет планетарный характер, а второй реализуется на биогеоценотическом уровне. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Фактически, малый (биологический) круговорот веществ базируется на фоне большого – геологического. Суть биологического круговорота – создание и разрушение органического вещества. Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;

2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре.

Резервный фонд – это большие массы медленно движущихся веществ в основном небиологического состава. Разделение био-геохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот, кислород и водород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро восполняют их дефицит в других системах и компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усилением окислительных процессов или горением ждет следующая «судьба»: он быстро рассеивается воздушными массами, активно используется растениями и поглощается океаном.

Круговороты газообразных веществ с их большим атмосферным фондом можно считать в глобальном масштабе хорошо забуференными, поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика. Но способность к саморегуляции при таком большом резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

Осадочные циклы, в которых участвуют железо, фосфор и другие вещества, обычно гораздо менее подвержены самоконтролю и легче нарушаются в результате каких-либо местных преобразований. Это обусловлено малоподвижностью и малой активностью земной коры, в которой находятся эти вещества.

Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Если понимать под скоростью данного процесса величину продукции, т. е. скорость живого вещества, образующегося в единицу времени, то с геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным.

По мнению А. Н. Тюрюканова, «„мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время» (1990, с. 45).

Принято (в наземных экосистемах) оценивать интенсивность биологического круговорота величиной, равной отношению массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку (Ковда, 1971, с. 7–52). Чем выше этот показатель, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме.

Проведенные учеными оценки показали следующие результаты:

Заболоченные леса, кустарниковые тундры – индекс равен, в первом случае более 50, а втором – 20–50. Эти сообщества по критерию круговорота классифицируются как застойные;

Темнохвойные таежные леса, широколиственные – соответственно, 1017 и 3–4. Здесь круговороты сильно заторможены и задерживаются; Степи – индекс 1–1,5; субтропические леса – 0,7; влажные тропические леса – 0,1. Интенсивность круговорота, соответственно, активная, интенсивная и весьма интенсивная.

Значение для биосферы биогеохимических круговоротов веществ выявило ряд важных закономерностей, не полностью согласующихся с теорией Ч. Дарвина. Речь идет не о решающей роли естественного отбора в происхождении видов растений и животных. Общеизвестно, что в основе этой теории лежит принцип отбора организмов по признаку их приспособленности к среде. Учение о биосфере выдвигает новый – геохимический критерий отбора.

«В процессе эволюции органического мира происходит отбор организмов, способных внести наиболее весомый вклад в расширение емкости и увеличение скорости биогеохимического круговорота в биосфере» (Тюрюканов, 1990, с. 46).

Концепция, выдвинутая В. И. Вернадским, по своей значимости сопоставима с теорией Ч. Дарвина. Здесь справедливо следующее:

«Геохимическая функция живого базируется на двух взаимосвязанных противоположных процессах – поглощения и выделения веществ. В учении о биосфере, характеризуя активность живого вещества, Вернадский говорил о “давлении жизни”, о “всюдности жизни”, о “растекании живого вещества по планете”. Он не употребил антропоцентристское понятие “борьба за существование”, к которому прибегнул Дарвин» (Тюрюканов, 1990, с. 47).

Действительно, борьба за пищу, за источник питательных веществ – лишь один из моментов жизнедеятельности живого вещества, связанного с его способностью к поглощению. Другая, не менее важная функция живого, – выделительная. Это все так, ибо без этой функции невозможно было бы существование цепей разложения, минерализующих органическое вещество, содержащееся в продуктах выделения тех или иных организмов. Эти организмы заняты одной единственной стратегией – извлечь остатки энергии из неусвоенной пищи вышестоящих трофических уровней. Но в силу законов термодинамики (см. формулы 8 и 11) природа не создала новых способов извлечения энергии, подобных фотосинтезу и переизлучению его результатов другим трофическим уровням. Ядерная энергетика, процессы аннигиляции и другие ее варианты воспроизводства не в счет – т. к. к процессам жизни они не имеют прямого отношения.

Таким образом, ввиду колоссальной потери энергии на каждой ступени пищевой пирамиды она редко состоит более чем из пяти трофических уровней. Это запрет природы. Однако нельзя оставить без внимания и тот факт, что потоки вещества через живые системы являются необходимым и достаточным условием их существования.

Выдвинутые В. И. Вернадским два принципа роли биогеохимических функций являются основополагающими. Это касается той роли, которую играют на каждом трофическом уровне организмы.

Первый принцип состоит в следующем: биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. «Всюдность жизни» – яркое подтверждение этому.

Второй принцип – эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна сопровождаться усилением биогенной миграции атомов в биосфере.

Нам видится, что в этих принципах имеется один пробел. Дело в том, что миграция атомов через биосистемы является следствием, а не основой существования живого вещества. Следовательно, на каждом этапе видообразования видовых популяций, в первую очередь, ставился вопрос о энергообеспеченности их существования. Если бы этого не произошло, то их ожидала бы судьба многих вымерших представителей биоты.

Мы знаем ту роль, которую сыграло в изменении мировоззренческого осмысления бытия природы понятие «скорость». Если брать во внимание законы Ньютона, то эта величина определяется просто – путь, пройденный телом, необходимо разделить на время. Если объект движется с околосветовой скоростью, то в этом случае необходимо вносить поправки в соответствии с теорией Эйнштейна. Это законы физики – праматери всех наук. А живое вещество? Что здесь является скоростью, а что статичной величиной? По-видимому, для ответа на эти вопросы необходимо руководствоваться следующими положениями:

1) выясним размерность тех величин, которые используются в продукционных исследованиях;

2) результаты физических (и биологических) явлений, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни и в научных исследованиях, измеряются в определенных единицах.

Речь идет о размерности природных величин. Например, если в уравнении левая часть некоторого равенства имеет размерность «метр», а правая – «м/с», то можно утверждать, что это равенство неверно. Каждая физическая величина размерности имеет свое обозначение. Например, размерность объема равна L3, скорости – LT-1, ускорения – LT-2 и т. д.

7.3. Круговорот воды

Главным резервуаром воды на Земле является океан. Он содержит более 97 % всего запаса воды на земном шаре (примерно 1,4 1018 т). Около 2 % водных запасов находится в ледниках. Вода континентов (немногим более 0,6 %) представлена в основном грунтовыми водами; только 1/5 ее залегает так близко к поверхности, что доступна для корней растений, а все остальное угодит на глубину в сотни метров. В облаках, туманах, водяном паре содержится не более 0,001 % запасов воды на планете.

Запасы воды находятся в подвижном равновесии друг с другом. По данным ученых, с поверхности суши испаряется около 70 103 км3 влаги в год. Это составляет примерно 15 % от общей ее массы, поступающей в атмосферу. Остальное поставляет океан – 458 103 км3 воды. Всего с поверхности земли испаряется 520 103 км3

влаги (Степанов, 1970, с. 40). C поверхности океана испаряется больше воды, чем выпадает там осадков. Излишек переносится на сушу. Разность между испарением и осадками определяет основные особенности планетарного влагообмена. В экваториальной зоне осадки доминируют над испарением. На всей остальной акватории океана испарение преобладает над осадками. Огромная зона испарения ограничена широтами в южном и северном полушариях – 40–50. Выпадая в виде осадков на суше, вода снова испаряется и 7 % выносится реками в моря и океаны. Круговорот воды вследствие высокой скорости оборота – время пребывание водяного пара в атмосфере составляет 10 суток, а полное обновление воды происходит всего лишь за 12 суток, или 30 раз в год (Степанов, 1970, с. 41), – в количественном отношении самый значительный круговорот веществ на земном шаре.

Испарение с земной поверхности следует рассматривать, прежде всего, в связи с осадками. Для водного баланса какого-либо района важен не столько абсолютный уровень осадков и испарения, сколько соотношение между этими двумя величинами. Если годовые осадки превышают годовое испарение, то говорят о гумидной зоне, а в обратном случае – об аридной. Примерно 12 % поверхности Земли является крайне засушливой с годовыми осадками ниже 250 мм и испаряемостью более 1000 мм. Самые влажные районы с большим избытком осадков составляют менее 9 % поверхности суши. Обширные засушливые территории расположены главным образом между 15 и 30 северной и южной широты и за высокими горными цепями, которые задерживают ветры, приносящие дожди.

Отношение годовых осадков к годовому испарению является грубым указанием на гумидный или аридный характер обширной территории. Для растений, которые там произрастают, важно, чтобы водоснабжение было обеспечено тогда, когда в нем существует наибольшая потребность, т. е. в течение вегетационного периода. Кроме этого, малое количество осадков само по себе еще не обусловливает аридности: холодные полярные зоны тоже бедны осадками, но они не являются аридными, т. к. здесь низка испаряемость. Осадки, выпавшие в виде снега, поглощаются растениями не сразу. Зима для растений, возвышающихся над снеговым покровом, – это не только холодное, но и сухое время года. В северном полушарии в широтах выше 70 снег выпадает чаще, чем дождь, а там, где массы холодного воздуха продвигаются на юг, эта граница сдвигается до широты в 60.

Как на крайнем севере, так и в горах продолжительность снежного покрова, его высота и промерзание почвы являются главными факторами, ограничивающими рост деревьев. Там, где зимой ветер сдувает снег, подрост деревьев гибнет, а там, где снеговой покров лежит слишком долго или корнеобитаемый почвенный горизонт остается слишком долго замерзшим, вегетационный период настолько короток, что древесные растения отсутствуют вообще, лес исчезает и переходит на севере в тундру, а в горах – в кривоствольный древостой или альпийские травяные сообщества.

7.4. Углеродный обмен в биосфере

На всем земном шаре, по оценкам ученых (Лархер, 1978, с. 128), растения ежегодно связывают около 155 109 т углерода. Из этого количества на долю суши приходится 61 %, а гидросферы – 39 % от общего его количества. Очень высокая первичная продуктивность на суше принадлежит районам тропиков, а в океане – зонам между 40 и 60 северной и южной широты. Наибольшая продуктивность наблюдается в дождевых тропических лесах, зарослях злаков в условиях сильного увлажнения и на заболоченных территориях теплых стран, а также на границах мелководных участков с морем и коралловых рифах. И все же основная часть поверхности суши и воды на Земле не отличается высокой продуктивностью. На суше почти всегда не хватает воды, в Арктике и в высокогорьях холод укорачивает продуктивный период. В тропических морях продуктивность лимитируется недостатком питательных веществ, в приполярных морях – недостатком света. Общий запас соединений углерода на Земле оценивается в 26 1015 т. В приведенной ниже таблице показан бюджет запаса углерода на планете (млрд т С). Подавляющая масса углерода связана в неорганических веществах и лишь около 0,05 % – в органических (табл. 4).

Таблица 4

Запасы углерода на Земле (млрд т)

Органический углерод находится в биосфере и в верхних слоях литосферы: 64 % всего его запаса содержится в ископаемых отложениях (торф, уголь, нефть), 32 % – в органических остатках в почве и водоемах и около 4 % участвует в построении биомассы. Наибольшая часть биомассы приходится на долю наземных растений. Особенно это касается лесов, имеющих большие запасы древесины. Их углерод составляет более 77 % всего углерода наземных растений. На поверхности почвы и в самой почве наибольшие запасы углерода образуются в тундровой зоне и в северных лесах, где органические остатки разлагаются гораздо медленнее, чем в теплых областях.

Запасы неорганического углерода сосредоточены в основной своей массе в осадочных горных породах земной коры. Гидросфера Земли содержит 0,14 % общего углеродного резерва планеты в форме бикарбоната и карбоната или в виде растворенной СО2. Общая масса углерода в Мировом океане оценивается в 3,6 1013 т, а в атмосфере – 6,3 1011 т. Поверхностный слой, в котором происходят основные процессы фотосинтеза, содержит только 1/60 запаса неорганического углерода гидросферы. Средняя концентрация двуокиси углерода в атмосфере составляет 0,03 %. При атмосферном давлении в 1 бар этой концентрации соответствует 0,6 мг СО2 в 1 л воздуха.

Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов, за счет инвазии из атмосферы и выделения из различных соединений, в первую очередь солей угольной кислоты. Снижение концентрации этого газа в воде в основном происходит в результате его потребления фитопланктоном и другими фотосинтезирующими растениями и связывания в соли угольной кислоты. Например, фитопланктон Мирового океана потребляет в год около 40 млрд т углерода. Коэффициент абсорбции СО2 при температуре 0 С равен 1,713. Значит, в условиях нормального содержания газа в атмосфере (0,3 мл/л) и температуре 0 С в 1 л воды может раствориться 0,514 мл СО2. Проведенные исследования показывают, что ежегодно около 100 млрд т атмосферной двуокиси углерода растворяется в Мировом океане и замещается примерно равным его количеством из океана.

7.5. Круговорот кислорода

Из всех газов, имеющихся в атмосфере, а также растворенных в Мировом океане, особый интерес представляет кислород, т. к. он обеспечивает высокий выход энергии при аэробной диссимиляциии практически для всех организмов Земли и по существу лежит в основе их жизни. Известно, что атмосфера содержит примерно 1,2 1015 т кислорода. Главными поставщиками кисло

рода на планете являются растения. Благодаря фотосинтезу наземных и морских растений к этому запасу ежегодно прибавляется 70 109т, а леса поставляют в течение года 55 109т кислорода.

В литосфере содержится 47 %, гидросфере 85,2 %, а в свободном состоянии в атмосфере содержится 21–23,1 % кислорода. Коэффициент абсорбции кислорода водой при 0 С равен 0,04898. При нормальном атмосферном давлении в 1 л воды растворится 210 мл/л (содержание в атмосфере), умножим на коэффициент абсорбции и получим величину, равную 10,3 мл кислорода. Следует заметить, что насыщение вод газами находится в большой зависимости от изменения температуры. Так, при 25 С в воде растворится 4,9 мл/л кислорода и 9,1 мл/л азота. При 15 С, соответственно, – 5,3 мл/л и 10,6 мл/л и т. д. При сохранении подобной зависимости в высоких широтах поглощается больше газов, чем в тропических областях.

В целом круговорот кислорода на Земле идет в направлении, обратном круговороту углерода. Время полного оборота кислорода через фотосинтез составляет для атмосферы 2000–2500 лет, а углекислого газа – 300 лет. Исследования показывают, что возмещение кислорода, непрерывно отчуждаемого из атмосферы в результате горения, возможно только благодаря активности фитопланктона. В водоемах отмершие организмы опускаются на такую глубину, где их разложение идет в основном анаэробным путем, в то время как на суше огромное количество этого газа расходуется на деятельность микроорганизмов, разлагающих опад. Анализ процессов, обусловивших круговорот кислорода, свидетельствует, что, несмотря на его избыток, в некоторых местах он все же является лимитирующим фактором в жизнедеятельности растений и животных. Например, потребление почвенными бактериями, грибами, животными и корнями растений при застое воды и в плотных или теплых почвах (тропики) иногда настолько велико, а пополнение его путем диффузии идет так медленно, что живые организмы находятся в угнетенном состоянии, или гибнут вообще. В океане, ниже эуфотической зоны с глубиной идет уменьшение кислорода настолько, что, например, в замкнутых водоемах, таких как Черное и Балтийское моря, его у дна практически нет.

7.6. Азотный обмен

Азот, углерод, кислород и водород являются основообразующими химическими элементами, без которых (хотя бы в пределах нашей солнечной системы) не возникла бы жизнь. Азот в свободном состоянии обладает химической инертностью и является самым распространенным элементов на Земле. Примерно, 4 1015 т

этого газа сосредоточено в атмосфере. По отношению к объему всех газов, имеющихся в атмосфере, он занимает 78,1 %. Согласно оценкам ученых, наибольшее количество связанного азота находится в каменном угле (1–2,5 %) и нефти (0,02-1,5 %), а также в водах рек, морей и океанов (Кормилицын и др., 1997, с. 102). В белке животных содержится 16–17 % азота. Вызывает удивление тот факт, что, несмотря на активный газообмен между гидросферой и атмосферой, в каждой из них сохраняется постоянное соотношение кислорода к азоту, хотя эти соотношения различны в воздухе и водах Мирового океана. Например, в атмосфере азота (по объему) в 4 раза больше, чем кислорода, а в гидросфере только в 2 раза. Следует отметить, что зеленые растения используют неорганический связанный азот. Они, оказывается, не только С-автотрофами, но и N-автотрофами.

Азот, участвующий в обменных процессах с биосферой, распределяется на Земле следующим образом: 99,4 % его содержится в атмосфере (3,8 1018 т), 0,5 % в гидросфере, 0,05 % в почве и 0,0005 % в биомассе. В отличие от углерода почти весь азот наземных экосистем находится в почве, а не в биомассе (Лархер, 1978, с. 158).

Несмотря на огромный резервный фонд азота, основной круговорот этого биогенного элемента происходит между организмами и почвой и доминирующая роль в этом принадлежит микроорганизмам. Можно полагать, что единственными организмами, способными усваивать атмосферный азот, являются азотофиксаторы. Они превращают молекулярный азот в усвояемую растениями форму. Согласно оценкам ученых, из всего ежегодно фиксируемого азота на Земле на долю микроорганизмов приходится около 59 %, а промышленной переработки – около 33 %. Именно наличие цепей разложения, входящих в состав экосистемы, обеспечивает ей замкнутый цикл. Это обусловлено процессами создания азотосодержащего органического вещества растениями и вторичными продуцентами. Важно отметить, что связь экосистемы с атмосферой происходит благодаря наличию фиксаторов и денитрифика-торов азота. По данным Ю. Одума (1986, с. 205–207), фиксировать атмосферный азот способны следующие микроорганизмы:

♦ свободноживущие бактерии – Azotobacter (аэроб) и Clostridium (анаэроб);

♦ симбиотические клубеньковые бактерии бобовых растений (Rhizobium);

♦ сине-зеленые водоросли (цианобактерии) – Anabaena, Nostoc;

♦ пурпурные бактерии (Rhodospirillum).

Близкие к Pseudomonas почвенные бактерии актиномицеты (особые примитивные грибы) в корневых клубеньках ольхи (Alnus) также эффективно фиксируют азот. К настоящему времени обнаружено на корнях клубеньки у 160 видов, относящихся к 5 родам и 8 семействам двудольных растений вызванные актиномицетами. Эти фиксаторы азота возникли в умеренной зоне и приспособлены в большинстве к бедным песчаным и болотистым почвам, где доступного для растений азота имеется мало. Важную роль в фиксации азота играют сине-зеленые водоросли, у которых этот процесс может происходить как у свободноживущих форм, так и в симбиозах с грибами, со мхами и папоротниками. Интересен тот факт, что на вайях плавающего водного папоротника Azolla имеются микроскопические поры, наполненные симбиотическими сине-зелеными водорослями Anabaena, активно фиксирующих азот. Этот папоротник многие века играл одну из главных ролей удобрении рисовых полей Востока. Основной фермент биофиксации – нитрогеназа, катализирующая расщепление молекулы азота. С энергетической точки зрения процесс фиксации азота дорогостоящий, потому, что требуется много ее затрат на разрыв тройной связи в молекуле N2 (N N), чтобы с добавлением водорода из воды превратить ее в две молекулы аммиака (NH3). Проведенные учеными обширные исследования по изучению способов фиксации азота позволили прийти к следующему важному выводу:

«Лишь прокариоты, безъядерные, самые примитивные микроорганизмы, могут превращать биологически бесполезный газообразный азот в формы, необходимые для построения и поддержания живой протоплазмы. Когда эти микроорганизмы образуют взаимно выгодные ассоциации с высшими растениями, фиксация азота значительно усиливается» (Одум, 1986, с. 208–209).

Круговорот азота (если рассматривать его в масштабах всей биосферы) сбалансирован. Наличие обратных связей обеспечивает его саморегуляцию. Часть азота из густонаселенных областей суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и таким образом выключается из круговорота на длительное время (порядка миллионы лет). Однако за счет вулканической деятельности и процессов денитрификации часть азота вновь поступает в атмосферу и происходит его компенсация.

7.7. Круговорот фосфора

Круговорот фосфора несколько проще, чем азота, т. к. он встречается лишь в немногих химических формах. В гидросфере фосфор встречается почти исключительно в окисленном состоянии (Константинов, 1979, с. 339). Естественный круговорот фосфора в биосфере вследствие нелетучести его соединений не сбалансирован. Резервуарами фосфора являются горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Этот элемент является наиболее дефицитным, определяющим развитие жизни. Его недостаток в большей степени ограничивает продуктивность в том или ином районе, чем недостаток любого другого вещества, за исключением воды. Речной сток ежегодно выносит в Мировой океан около 2 млн т фосфора. Обратное движение фосфора из Мирового океана на сушу и в наземные водоемы ограничено. Оно не компенсирует вынос элемента с суши. Там, где есть фосфор в воде, почти всегда имеется избыток восстановленного железа. При окислении они вместе выпадают в нерастворимый осадок. В анаэробных условиях может протекать обратный процесс.

Большую роль в процессах извлечения фосфора из грунта играют гидробионты. С помощью корневой системы макрофиты способны изымать фосфор из слоев грунта, удаленных от его поверхности до метра и более (Константинов, 1979, с. 339–340). Как свидетельствуют результаты исследований ученых, способность водных растений к изъятию фосфора и других биогенных элементов может быть с успехом использована при создании экосистем, улучшающих питьевые качества воды.

Какая же доля минеральных элементов содержится в растениях, почве и воде? В табл. 5 приведены сравнительные данные по набору основных биогенных элементов.

Как видно из табл. 5, практически все живые организмы накапливают биогенных элементов намного больше, чем их имеется во внешней среде. Поэтому, высокоточная биологическая регуляция обмена веществ и энергии, а следовательно, и основных параметров окружающей среды является важнейшим свойством биосферы как динамической системы, поддерживающей на протяжении многих лет свое стационарное состояние.

Таблица 5

Среднее содержание минеральных биогенов в растениях, почве (г на 1 кг сухого вещества) и морской воде (г на 1 л) (по Лархер, 1978, с. 177)

Здесь становятся понятными отрицательные последствия, оказываемые человеком на биосферу. За счет неразумного вторжения в ее законы он способен нарушить ее уникальную саморегуляцию.

8.1. Природа биогенной миграции атомов в биосфере

По В. И. Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

♦ химической (биохимической) – I род геологической деятельности;

♦ механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, конечно, является более значительной.

Следует напомнить, что в зависимости от использования источников энергии все организмы делятся на три группы:

1) хемотрофы – главным образом бактерии, которые получают энергию за счет неорганической реакции (окисление железа, серы и др.);

2) фототрофы используют солнечный свет для фотосинтеза;

3) гетеротрофы окисляют имеющиеся органические соединения разной степени сложности (Проссер, 1977, с. 242).

Несомненно, что для каждой эпохи и ее периодов, начиная с архейской эры, у существующих тогда организмов преобладал тот или иной тип питания – фактора, осуществляющего потоки атомов от неживой природы к живой и обратно через выделение и гибель организмов.

Согласно современным представлениям, первичные организмы были в основном гетеротрофами, которые потребляли готовые органические соединения. После появились фототрофы и, наконец, те гетеротрофы, которые мы называем животными. Появление автотрофов обусловило накопления в атмосфере планеты кислорода, вследствие чего восстановительная атмосфера, после достижения точки Пастера (это когда концентрация О2 в атмосфере достигла 1/100 части современной, примерно 1,5 млрд лет назад), стала окислительной. Как следствие, многие организмы приобрели аэробный тип обмена, что ускорило процесс видообразования. В этой связи, приведем третий биохимический принцип, сформулированный В. И. Вернадским:

«В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможным для всего живого вещества, которое тогда существовало» (1940, с. 185; 1965, с. 283–286).

Можно полагать, что на каждом этапе эволюционного процесса существующие и вновь появившиеся тогда организмы стремились максимально использовать энергетические ресурсы за счет все возрастающего увеличения скорости обмена веществ в экосистемах. Об этом свидетельствуют данные В. А. Ковды, который на обширном фактическом материале показал, что зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым (лидирую травы) (цит. по: Зимов и Чупрынин, 1991, с. 62–63).

Так, по данным Л. Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере, которые мы рассмотрим в этой части книги. По подсчетам биолога П. Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем, по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий (Елисеев, 2002, с. 257).

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарльз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – поли-хеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20–30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами (цит. по: Елисеев, 2002, с. 257).

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем, в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

О биогеохимической роли организмов свидетельствуют следующие данные. Так, В. Р. Вильямс полагал, что если 75 % общего количества ежегодно синтезируемого растениями органического вещества не будет минерализовано гетеротрофами, то через 3–4 года жизнь на Земле должна прекратиться. В этом плане поразительна «мудрость» природы. Подсчитано, что на территории нашей страны количество почвенных животных в килограммах на один гектар составляет:

♦ в тундре – 90;

♦ в северной тайге – 100–150;

♦ в южной тайге – 160–350;

♦ в смешанных лесах – 800-1000;

♦ в лесостепи – 500–900;

♦ в степи – 200;

♦ в пустыне – 20 (Тюрюканов, 1990, с. 110–112).

Бпольшая часть биомассы приходится на долю дождевых червей – 50–80 %. Велика и их роль в повышении плодородия почвы.

Дождевые (земляные) черви – крупные беспозвоночные животные-сапрофиты, питающиеся разложенными остатками. Они составляют важное звено в биологическом круговороте вещества и энергии и участвуют в почвообразовании. В копролитах червей естественной популяции содержание гумуса составляет 11–15 %. Масса таких копролитов составляет несколько сотен тонн на гектар.

За лето популяция из 100 червей на одном квадратном метре прокладывает в почве до километра подземных ходов диаметром 3–7 мм. Это улучшает аэрацию почвы и благоприятно сказывается на росте растений. В сообществах умеренной зоны они занимают ведущие позиции.

Практически все виды червей – дождевые, норные (Lumbricus terrestrus), пашенный (Aporrectodea calliginosa), красный калифорнийский, подвид навозного (Eisenia fetida и др.), представляют собой небольшие «химические лаборатории», обогащающие почву азотом, фосфором калием и другими макро– и микроэлементами. Кроме главной их деятельности – создания плодородия почвы, они широко используются в птицеводстве, являясь прекрасным кормом для кур (Тимофеева, Колесник, 2004, с. 132–141).

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2–4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные не выветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г. Ф. Мирчинк (1889–1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров! Обыкновенные кроты перерывают от 3,9 до 35 т на гектар почвы. Если выразить биогеохимическую работу почвенных животных в килограммах на гектар, то в дерново-подзолистых почвах кроты перемещают углерода 76 кг/га, азота – 4,8, кремния – 2942, железа – 338, алюминия – 481 кг/га. Это намного больше, чем в ежегодном растительном опаде (Тюрюканов, 1990, с. 110–112).

Понятие «нора» и «гнездо» обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль может быть еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке – вот беда! – норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И они сверлят. Этим занимаются водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки.

Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия (Елисеев, 2002, с. 258).

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Как мы видели ранее, В. И. Вернадский подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов.

Несколько иначе подошел к этому вопросу его современник – Н. А. Андрусов.

«Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение, – писал Андрусов, – может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться;во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром» (цит. по: Елисеев, 2002, с. 259).

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл «биогеохимическими принципами». Обсудим этот вопрос подробнее в следующем разделе.

8.2. Биогеохимические принципы

В формулировке В. И. Вернадского биогеохимические принципы звучат следующим образом.

I принцип : «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

II принцип : «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

III биогеохимический принцип : «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможным для всего живого вещества, которое тогда существовало» (1940, с. 185;1965, с. 283–286).

Для Вернадского первый биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной экспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

Второй биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли В. И. Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается «КПД» биосферы в целом. Второй принцип справедлив и в отношении деструктивной ветви. Например, если для биогенного разложения мхов и лишайников необходимы десятилетия, то для трав – месяцы (Зимов, Чупрынин, 1991, с. 63–64). Объяснение этого факта заключается в том, что прогрессивные растения больше содержат легко усваиваемых сахаров, азотистых соединений и меньше лигнина, целлюлозы и являются более совершенными консументами, деструкторами. Если мхи разлагаются простейшими, то в минерализации «высокооборотистых растений» принимают активное участие почвенная зоомасса и позвоночные (Зимов, Чупрынин, 1991, с. 63).

В. И. Вернадский первым стал исследовать жизнь как целое, как геологически своеобразное живое вещество, характеризующееся весом, химическим составом, энергией и геохимической активностью. Он подчеркивал, что за геологическую историю организмы, по-видимому, осваивали новые области планеты, приспосабливаясь к многообразным природным условиям и участвуя в их изменении. Одно из выражений геологической активности живого вещества – скорость размножения организмов. Она колеблется в широких пределах и в идеальных условиях(отсутствующих в природе) достигает скорости звука. Бактерия холеры, например, способна (теоретически) за тридцать часов покрыть сплошной пленкой всю поверхность планеты. Крохотная инфузория туфелька может за пять лет выработать массу протоплазмы, по объему в десять тысяч раз превышающую нашу планету. Одноклеточная водоросль диатомея за восемь дней способна образовать массу материи, равную объему Земли, а в течение следующего дня удвоить эту массу.

Скорость передачи жизни, геохимическую активность живого вещества, отраженную в способности к размножению, Вернадский выразил в виде формулы:

2πΔ = N n ,

где n – число дней с начала размножения, Δ – показатель прогрессии, для одноклеточных соответствующий числу поколений в сутки, N n – число неделимых, существующих благодаря размножению через n дней (Вернадский, 2003, с. 67).

По подсчетам В. И. Вернадского, количество свободного кислорода в биосфере, равное 1,5 1021 г, есть число того же порядка, как и количество существующего и с ним неразрывно связанного живого вещества, исчисляемого в 1020-1021 г. В каждый момент на Земле существует около 1020 и более граммов живого вещества, которое постоянно разрушается и создается – главным образом, не ростом, а размножением. Поколения создаются в промежутки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется вещество, охваченное жизнью. То, которое находится в каждую минуту в наличии, составляет ничтожную долю созданного в году, т. к. колоссальные количества создаются и разрушаются даже в течение суток (Вернадский, 2003, с. 76).

И если справедлив первый биогеохимический принцип, т. е. непрерывное стремление живого вещества к экспансии, к максимальному проявлению жизни, то столь же должен быть справедлив и выраженный второй биогеохимический принцип

Таким образом, первый биогеохимический принцип свидетельствует об экстенсивном захвате вещества для метаболизма, а второй – об интенсивной стороне того же процесса, в историческом геологическом аспекте. Иначе говоря, количество жизни остается неизменным, а качество ее непрерывно повышается. Чисто схематически этот процесс можно было бы попытаться описать так.

Допустим, есть всего одна бактерия, она в соответствии с геометрической прогрессией размножения чисто теоретически, не имея ограничивающего давления других организмов, выйдет на свою стационарную константу размножения и сразу освоит всю поверхность планеты, ограничиваясь только ее физическими параметрами; второй организм, создавая с первым систему биосферы, отнюдь не расширит лог ареал, а охватит его же, довольствуясь вдвое меньшим физическим пространством для жизни. Третий – займет в нем же свою нишу, разделив физическое пространство на три. И так продолжается при дальнейшей дифференциации живого вещества биосферы. Биомасса растет, появляется, например, лес или гигантские водоросли, или крупные животные, они вовлекают все более разнообразные виды атомов вещества в круговорот жизни. Но количество охваченных атомов остается постоянным, как и количество жизни по отношению к массе планеты. А внутренняя емкость пространства, вероятно, увеличивается, или оно структурируется. Точно также справедлива и обратная мыслительная операции. Из сегодняшней развитой биосферы будем отнимать, в каком угодно порядке: по одному виду, или по классу или по экологической нише, или но иному признаку. Что будет происходить с объемом биосферы? Он будет оставаться постоянным, другие организмы будут заполнять объем, пока смогут выполнять функции биосферы. Отнимем какой-то последний организм, – и она погибнет сразу, целиком, как и наш организм и как любой другой.

В. И. Вернадский через понимание функций и их историческое движение, выраженное в первом и втором биогеохимических принципах, нашел стандарт биосферы. Если живое вещество его поддерживает, то он действует, и наоборот. В последнем случае нет и биосферы.

8.3. Законы экологии и их следствия

Огромное биоразнообразие флоры и фауны, которое сохраняется на протяжении многих веков было бы немыслимо без его подчинения законам экологии. Как известно, законом называют наличие внутренней причинно-устойчивой связи между явлениями или свойствами различных объектов, отражающей отношения между объектами. Если изменение одних процессов или явлений (причина) вызывает вполне определенное изменение других (следствие), то это означает проявление действия закона. Какие же законы присущи для биосистем?

Закон больших чисел : при очень большом числе случайных явлений средний их результат практически перестает быть случайным и может быть предсказан с большой точностью. Каждый индивид в популяции имеет свою стратегию поведения, но объединенные в стаю, они, несмотря на кажущуюся хаотичность, действуют согласованно.

Принцип Ле Шателье – Брауна : при действии на систему сил, вызывающих нарушение равновесия, система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Способность экосистем и биосферы в целом к сохранению своего устойчивого состояния является косвенным доказательством подчинения их этому принципу. В настоящее время предложено новое определение биоты и биосферы (Горшков и др., 1990): «под биотой следует понимать такие естественные сообщества живых организмов, которые способны подчиняться принципу Ле Шателье и компенсировать все возникающие возмущения окружающей среды.

Под биосферой следует понимать такое состояние биоты, окружающей ее взаимодействующей с ней внешней среды, в которой антропогенное возмущение находится ниже порога нарушения принципа Ле Шателье». Закон минимума Ю. Либиха : жизненные возможности организма лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. Присутствие или процветание тех или иных видов в экосистеме зависит от комплекса факторов. По каждому фактору имеются пределы толерантности, выход за которые делает существование вида невозможным. Из огромного количества лимитирующим можно считать такой фактор, по которому для достижения положительного эффекта требуется его наличие в минимальном количестве. Например, общая ниша для рыбостракофилов (горчак) может быть оптимальной для его существования, но отсутствие двухстворчатых моллюсков делает процесс размножения для этой рыбы невозможным. Вид в данных условиях существовать не будет.

Закон 10 % Р. Линдемана : средняя эффективность переноса энергии между трофическими уровнями составляет 6-15 %, а в среднем 10 %. Этот закон вытекает из законов термодинамики, когда все виды энергии превращаются биосистемами в теплоту, а на прирост биомассы идет от общей ее величины меньшая часть. Так, для гидробионтов использование ассимилированной пищи на рост составляет примерно 10–25 %.

Закон обеднения разнородного вещества в островных его сгущениях : индивидуальная система, работающая в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена, т. к., постепенно теряя свою структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде. Любые сложные биотические сообщества, сохраненные на незначительных пространствах, обречены на постоянную деградацию. Этот закон имеет некоторое отношение и к выбору стратегии введения сельского хозяйства. Известно, что биоценозы, которые возникают на землях сельхозпользования, называются агроценозами.

Какие отличительные признаки этих ценозов?

Первое – низкое их биоразнообразие.

Второе – неспособность основных культур противостоять многим болезням и вредителям.

Третье – доминирование монокультур.

Стоит только человеку на время прекратить борьбу с нежелательными (сорными) видами растений, как окультуренные земли быстро зарастают разнотравьем и выходят из оборота, т. е. растворяются в окружающей среде. Лучший вариант введения сельского хозяйства – это формирования агроэкосистем, т. е. сознательно спланированных человеком территорий, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля (Кормилицын и др., 1997). В правильно спланированные агроэкосистемы, кроме пашен, входят пастбища или луга и животноводческие комплексы.

Закон обратимости биосферы : биосфера после прекращения воздействия на ее компоненты антропогенных факторов обязательно стремится восстановить свое первоначальное биоразнообразие. Этот закон является следствием вышеприведенного закона об обеднении разнородного вещества.

Закон природной зональности : в пределах обширных территорий (зон) природные условия сохраняют многие черты. Однако они заметно изменяются от зоны к зоне. Или, экосистемы различных биоклиматических поясов, как правило, имеют существенно разные почвенные профили.

Имеется еще ряд важных законов (энтропии, квантитативной компенсации и др.), которые способствуют формированию устойчивого состояния биосферы.

И все же, изменяя природу, человек создает новые экологические ниши, которые заселяются наиболее пластичными видами. Тогда, в каком направлении следует ожидать изменения биоты биосферы? Ведь известно, что отдельные организмы приспосабливаются к изменившимся условиям очень быстро, в то время как другие, не успевшие приспособиться, – вымирают.

Например, в Канаде, в районе озера Онтарио 70 лет действуют металлургические предприятия, нанесшие огромный вред окружающей среде. На сотнях квадратных километров вокруг этих предприятий оказалась уничтоженной всякая растительность в результате выброса в атмосферу большого количества двуокиси серы и накопления в почве тяжелых металлов. И все же, в созданной человеком пустыне неожиданно появилась и стала размножаться трава щучка, которой ранее здесь не было. Это растение приобрело способность выдерживать воздействие двуокиси серы, меди, никеля, кобальта, серебра, а также и свинца, цинка, кадмия, которых здесь нет. Аналогичные устойчивости к тяжелым металлам обнаружены у обитающих в почве некоторых водорослей.

Одному из авторов в свое время представилась возможность наблюдать значительные изменения в травостое фитоценозов, расположенных в районе воздействия Селенгинского бумажного комбината (1979–1980), который находится в устье реки Селенги, впадающей в озеро Байкал.

Все подобные случаи заслуживают пристального внимания и тщательного изучения. Они наглядно демонстрируют способность живого приспосабливаться в результате естественного отбора к самым неблагоприятным внешним условиям и занимать свободные экологические ниши. Быстрота возникновения таких приспособлений наглядно показывает, сколь стремительно может протекать эволюционный процесс тогда, когда последствия человеческой деятельности стали важным фактором изменения окружающей среды.

Правило обязательности заполнения экологических ниш . Согласно этому правилу, пустующие экологические ниши всегда бывают заполнены. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать приспособительные особенности, заполнить эту нишу, но иногда для этого требуется значительное время. Бывают ситуации, что эти ниши заполняются видами самым неожиданным образом (Кормилицын и др., 1997). Это надо учитывать при проведении тех или иных мероприятий, связанных с эксплуатацией видового состава экосистем. Следует напомнить, что термин «экологическая ниша» введен в 1928 г. Дж. Гриннелом, хотя без добавления слова «экологическая» был применен в том же смысле уже годом ранее Элтоном, подчеркивавшим, что ниша животного – «это значит место в живом окружении, его отношение к пище и врагам». В настоящее время под термином «ниша» понимается место вида в природе, включающее его положение в пространстве и времени существования, его функциональную роль в природе и положение относительно абиотических условий существования (Тупикин, 2002). Под этим термином можно понимать и весь комплекс абиотических и биотических условий среды, позволяющий на данном пространстве и в данное время наилучшим образом обеспечивать виду его существование.

8.4. Генетика и эволюция биосферы

Общепризнанно, что теория Ч. Дарвина о происхождении видов эволюционным путем совершила переворот в мировоззрении не только ученых, но и многих миллионов людей. Это был сильнейший удар метафизическому взгляду на природу, который показал, что весь современный облик биоты является продуктом процесса развития, длившегося миллионы лет. Можно однозначно утверждать, что Ч. Дарвин впервые установил изменяемость видов и преемственность между ними.

Второе научное событие XIX в. – это установление и обоснование Г. Менделем дискретной природы факторов наследственности. И наконец, открытие Ф. Мишером нуклеина – вещества, из которого, как теперь известно, построены гены. После этих прорывов в познании природы биологических явлений наука достигла такого совершенства, что способна не только объяснить механизмы видообразования растений и животных, но и управлять этими процессами. К настоящему времени накопленный научный материал свидетельствует в пользу теории эволюции. Материальной ее основой является генная система организмов, которая способна изменяться путем мутаций в ответ на перемены во внешней среде.

Можно утверждать, что нет более точного и краткого определения жизни, чем то, которое дал Ф. Энгельс. Современная наука внесла в это определение важные поправки и уточнения, не изменяя, однако, основного ее содержания. Именно обмен веществ, как указывал Ф. Энгельс, является необходимым условием поддержания жизни. Это принципиальное различие в развитии живых и неживых тел. Обмен веществ есть протекающий сам по себе процесс, присущий, прирожденный своему носителю – белку, без которого не может быть жизни. В этом заключается генетическая основа развития живых тел.

Генетика доказала, что генная система обеспечивает организму возможность его жизни и отличия данной формы жизни от других, не родственных (или родственных) ей. Стал очевидным тот факт, что развитие живой материи имеет закономерный и определенный характер в силу ее генетической обусловленности. Основой этого развития является строго определенная генетическая информация, а поэтому жизнь является производной материи, энергии и информации.

Как отмечалось выше, возникновению жизни предшествовала химическая эволюция, которая привела к органической ее форме. С появлением жизни наступил подлинный расцвет химии органических соединений, возникла биохимия, т. к. появились отличные от неживых тел живые с их особенным биологическим временем – пространством. В пределах этого пространства возникли такие условия, где действию законов физики и химии открывался неизмеримо больший простор, что предопределило появление структур, существование которых невозможно вне живого.

Здесь вполне уместен вопрос: как во времени соотносится появление жизни и возникновение генов?

Имеется мнение (Меркурьев и др., 1983, с. 387–389), согласно которому гены образовались не ранее и не после появления живых тел, а знаменовали собой возникновение жизни. Когда нуклеиновые структуры и белки приобрели возможность соответственного соединения, возникла жизнь. Устойчивые линейно организованные структуры нуклеиновых кислот обеспечили основу для воспроизводства соответствующих их строению белков. Они оказались способными к ферментативному контролю над химическими превращениями в окружающей среде. Важно отметить, что белки образуются на рибосомах, которые уже сами состоят из белков и РНК. Однако некоторые белки, например, глютатион и грамицидин, синтезируются вне рибосом непосредственно в цитоплазме, что указывает на возможность образования белков в первичных биологических системах. Приведенные Е. К. Меркурьевым и Г. Н Шангин-Березовским (1983, с. 386–398) факты, убедительно опровергают муссируемые околонаучными апологетами посылки о невозможности возникновения жизни на нашей планете эволюционным путем. Следующий этап преобразования биосферы – это переход ее в качественно новое состояние – ноосферу (сферу действия разума).

9.1. Результаты антропогенных влияний на биосферу

В настоящее время от постиндустриальной эпохи человечество быстро стало переходить к постчеловеческой эре. Об этом свидетельствует ускоренное развитие биотехнологий, компьютеризация всего общества, освоение и внедрение новых – нанотехнологий. Продолжается освоение космического пространства и дальнейшее совершенствование высокоразвитых стран, требующих для развития своей экономики новых видов ресурсов. В то же время, несмотря на достигнутые успехи научно-технического прогресса, нарастает угроза всепланетарной социально-экологической катастрофы.

Каковы же ее признаки?

Об этом хорошо сказано в законе РФ об охране природы, суть которого отражена в следующем тексте:

«…в результате хозяйственной (либо иной) деятельности произошли глубокие необратимые изменения окружающей природной среды, повлекшие за собой существенное ухудшение здоровья населения, нарушение природного равновесия, разрушение естественных экологических систем, деградацию флоры и фауны».

Здесь речь идет о такой степени, которая стала угрозой существованию человека как биологического вида.

К природным катастрофам, способным привести к гибели биосферу, можно отнести космические или внутриземные. Данные науки свидетельствуют, что пока нет признаков (кроме феномена глобального потепления) наступления «конца света». Тогда единственным фактором, способным уничтожить биосферу, является человек. Имеются сведения (Ханжин, 2006, с. 5–6), что в ХХ в. человек нанес природе больше вреда, чем за всю предыдущую историю. Оставляя пока в стороне угрозу загрязнения окружающей среды вредными отходами производства, к усвоению которых организмы эволюционно не выработали механизмы их утилизации, отметим, что главной причиной, способной погубить человечество и биосферу, является хищническое уничтожение основ жизни – травянистых и древесных сообществ, т. е. растительности в полном понимании этого смысла.

Так ли это?

К XXI в. человечество уничтожило около 80 % всех лесов планеты (и продолжает эту гибельную практику) и 2 / 3 когда-то пригодных для земледелия земель. Учитывая высокие темпы прироста людей (каждую минуту население планеты увеличивается на 150–170 человек), параллельно идет уничтожение лесов по 11 га/мин, по 10 га/мин – сельскохозяйственных площадей и один биологический вид (согласно данным экспертов) теряется на планете безвозвратно. Почему же общественность многих стран реагирует на очевидную надвигающуюся экологическую катастрофу спокойно? Оказывается, что большинство людей, например, не замечают этого процесса потому, что отмечают исчезновение того или иного вида растений или животных лишь немногие. Интересен факт, что чем более редким становится то или иное животное, тем меньше внимания оно привлекает, и полное исчезновение его проходит незамеченным большинством людей (Захаров, 1984, с. 12–13). По данным экспертов ЮНЕСКО, к началу ХХ1 столетия с лица Земли исчезнут 1 млн видов животных, растений и микробов, по более «оптимистическим» – 500 тыс.

Подобных темпов вымирания видов история Земли никогда в прошлом не знала.

9.2. Виды и краткая характеристика загрязняющих веществ

Кроме разрушения естественной среды обитания, другой важнейшей причиной вымирания является загрязнение. Источники загрязнения многообразны. Воздействие их на здоровье человека крайне отрицательно. Это и рост уродств, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, формирование иммунодефицита и иммуноаутоагрессивных заболеваний, стимуляция размножения и роста численности вредных организмов и т. д. Каковы же характеристики загрязнителей биосферы?

В середине ХХ в. резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящие к острым токсико-экологическим ситуациям. Как следствие, это вызвало:

♦ расширение исследований масштабов и темпов загрязнения окружающей среды;

♦ поиск эффективных приемов охраны атмосферы, природных вод, почвенного покрова;

♦ изучение влияния вредных загрязняющих веществ на здоровье человека и возможностей предотвращения их отрицательного влияния.

Принято считать (Тупикин, 2002, с. 279), что вещества, ухудшающие качество окружающей среды, называются загрязнителями, а поступление их в среду – загрязнением природной окружающей среды. Говоря о втором, следует остановиться на загрязнении атмосферы, которое имеет и естественное, и искусственное происхождение.

Среди естественных факторов выделяются:

а) внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;

б) земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе морских солей (Кормилицын и др., 1997, с. 174).

Искусственное загрязнение атмосферы бывает радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное, газообразное и химическое, вызываемое соответствующими отраслями промышленности.

Как основные определены три источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные и автотранспорт. Главная доля загрязнителей приходится на бытовые котельные и автотранспорт, они же являются главной причиной образования опасных температурных инверсий над городами. При наличии высоких заводских труб бпольшая часть промышленных выбросов пробивается через инверсионную «крышку» в верхние слои, где происходит перемещение воздушных масс. Коммунальные котельные, а еще больше автотранспорт загрязняют нижние, приземные слои атмосферы и поэтому во всех случаях способствуют накоплению вредных газов в воздухе.

К вредным выбросам, загрязняющим атмосферу, относятся атмосферная пыль, газы и пары, которые прямо или косвенно отражаются на условиях жизни человека. Находящиеся в воздухе пыль и аэрозоли, как правило, не вступают в какие-либо особые химические реакции, но в сочетании с другими факторами могут нанести существенный ущерб здоровью человека.

Пыль и аэрозоли

Под атмосферной пылью понимают взвешенные в воздухе твердые частицы с диаметром более 1 мкм. Эти частицы трудно классифицировать химически, т. к. они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы самого различного происхождения. Атмосферная пыль в основном имеет минеральное происхождение, но состав может меняться с изменением источников ее образования: здесь могут преобладать соединения щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды и, наконец, споры растений.

Аэрозоли представляют собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой служит, как правило, воздух. Диаметр частиц лежит в пределах 0,1–0,001 мкм. В отличие от пыли аэрозоли содержат не только твердые, но и жидкие частицы. Жидкие капельки могут содержать и растворенные в них вещества.

Атмосферная пыль и дымы антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов; сажа и дымы – при сжигании топлива в промышленных, бытовых и транспортных котельных установках; ряд химических продуктов – при взаимодействии газов. Таким образом, выделение пыли антропогенного происхождения максимально в отопительный зимний период.

Пыль и аэрозоли могут нанести значительный ущерб человеческому организму, разрушая здоровье людей как прямым, так и косвенным образом.

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучей. При этом сокращается доля ультрафиолетового излучения, необходимого для поддержания физиологической активности. Ультрафиолетовые лучи, наряду с поддержанием нормальной температуры человеческого тела, необходимы для образования кальциферолов (витамина D2 и D3). Суточная потребность в витамине D составляет для взрослых 100 МЕ (2,5 мкг). Она повышается при малой солнечной инсоляции (зимой), а также при работе под землей (шахтеры). Это связано со снижением превращения в витамин D3 провитамина 7-дегидрохолестерина, содержащегося в коже, которое происходит под влиянием ультрафиолетовых лучей (Павлоцкая и др., 1989, с. 128–129). При длительном дефиците кальциферола у взрослых развивается остеопороз – разрежение костей. Кости становятся хрупкими из-за вымывания из них солей. Ранними признаками D-витаминной недостаточности является раздражительность, плохой сон, потливость, потеря аппетита.

Уменьшение доли УФ-излучения, прежде всего в городах, приводит к ослаблению стерилизующего действия ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы и, соответственно, к повышению возможности возникновения инфекционных заболеваний. Характерно, что, вследствие почти полного отсутствия пыли и бедности паров в воздухе, атмосфера тундры богата ультрафиолетовыми лучами, что является одной из причин почти полного отсутствия болезнетворных микробов (Кузякин, 1962, с. 98–99).

Особенно опасна способность мелкой пыли служить абсорбентом для ядовитых веществ. Иначе говоря, тонкая пыль может связывать на поверхности своих частиц токсичные вещества, имеющиеся в среде, например SO2 или канцерогенные углеводороды, и проносить их в организм. Наиболее опасные компоненты пыли: мышьяк, кадмий, свинец, селен, ртуть, ванадий, асбест.

Таким образом, пыль оказывает существенное влияние на человека, причем это проявляется в различных формах, и многие отдельные компоненты пыли и аэрозолей могут вызвать ряд специфических заболеваний. Особое место в этом явлении занимают пыльные бури. Данное явление является особо опасным для сельского хозяйства. Оно возникает за счет влияния природных и антропогенных факторов.

Причиной возникновения пыльных бурь является сильный ветер (более 10 м/с), иссушенность и распыленность верхнего слоя почвы, отсутствие или слабое развитие растительного покрова на полях, наличие больших открытых пространств. Именно эти важные элементы природной среды в настоящее время как раз и стали объектом разрушительной деятельности человека.

Оксид углерода

Оксиды углерода и газообразные углеводороды поступают в атмосферу вследствие работы промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства, а также за счет эмиссии этих соединений целинными и пахотными почвами (Лозановская и др., 1988, с. 74–78).

Окись углерода, или угарный газ, – главная составная часть выхлопных газов автомашин. Однако он образуется и при сжигании угля. Угарный газ бесцветный, не имеющий запаха, неощутимый, возникает при неполном сгорании органических соединений. Это одно из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу. Он может активно взаимодействовать с гемоглобином крови и уже при очень низкой концентрации снижает ее способность переносить кислород. Это приводит к кислородному голоданию тканей. Содержание CO в воздухе около 0,001 % вызывает головную боль, головокружение, снижение умственной деятельности и расстройство ряда физиологических функций организма. Чем больше СО содержится в воздухе, тем больше гемоглобина связывается с ним, и при повышенных концентрациях этот газ становится для человека смертельно опасным.

Диоксид углерода (или углекислый газ) – бесцветный газ со слабокислым запахом и вкусом. В атмосферном воздухе его содержится 0,03 %. Но за последние сто лет содержание углекислого газа в воздухе стало возрастать (до 14 %). Причиной этому служит неконтролируемая (хищная) вырубка лесов, а также увеличивающиеся с каждым годом выбросы СО2 за счет сжигания органического топлива. Согласно оценкам (Лозановская и др., 1998, с. 76), в атмосферу добавляется более (30–40) 109 т СО2.

Продолжающийся рост содержания углекислого газа в воздухе может привести к угнетению дыхания живых организмов, а в глобальных масштабах – к потеплению климата, т. е. к парниковому эффекту.

Углеводороды – органические соединения, состоящие из углерода и водорода. Многие из них имеют огромное значение для техники – используются в качестве топлива (например, природный газ, пропан, бензин и др.). Примерно 95 % выбросов углеводорода приходится на северное полушарие (Лозановская и др., 1998, с. 76). Особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности, гексан и пентен. Углеводороды образуются при сгорании карбюраторного горючего (при работе как бензинового двигателя, так и дизельного мотора) и в небольшом количестве при сжигании угля. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Выхлопные газы автомобилей содержат также полициклические углеводороды, в частности, бензапирен. На поверхности мельчайших дымовых частиц он попадает в легкие и откладывается там. Как и другие углеводороды, он канцерогенен. Длительное вдыхание даже низких концентраций этого вещества может привести к раку, чаще всего – легких.

Соединения углерода играют важную роль в круговороте веществ в природе, но, несмотря на это, их высокие концентрации оказывают отрицательное действие на живые организмы, в частности на человека.

Диоксид серы

Сера – биогенный элемент, необходимый для живых организмов. Но в настоящее время значительным источником серы стали техногенные выбросы промышленных предприятий.

Диоксид серы (SO2) составляет более 95 % всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу (Лозановская и др., 1998, с. 50). Диоксид серы антропогенного происхождения образуется при сжигании угля и нефти, при различных химических технологических процессах. Большая часть выбросов SO2 связана с энергетикой и промышленностью.

Двуокись серы – бесцветный, остро пахнущий газ, раздражающий дыхательные пути человека и способствующий внедрению туда инфекций. Соединяясь с влагой атмосферы, двуокись серы образует агрессивные кислоты (H2SO3), вредящие здоровью человека. В тяжелых случаях может возникнуть отек легких. При длительном воздействии SO2 пропадает чувствительность к запахам и вкусам.

Опасность для человека двуокиси серы заключается в том, что если она присутствует в воздухе вместе с тонкой пылью, то пылинки вместе с SO2 могут проникнуть в дыхательные пути. Комбинация двуокиси серы с пылью при очень высоких концентрациях вызывает смерть от удушья.

Итак, диоксид серы может оказать прямое токсическое действие на живые организмы. Его реакционная способность значительно выше, чем у углекислого газа. Выбросы SO2 в биосферу оказывают существенное влияние на здоровье человека.

Оксиды азота

Азот – важнейший элемент, он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, гемоглобина. Соединения азота играют большую роль в процессах обмена веществ, образования новых клеток. Он является важнейшим элементом питания растений. Запасы азота на планете огромны, основная их часть приходится на атмосферу. В осадочных породах земной коры (за счет деятельности палиобиосферы) накопилось около 6 1014 т азота, а в Мировом океане до 2 1013 т (Лозановская и др.,

1998, с. 57). В почве источником азота является гумус. В биосфере азот присутствует в газообразной форме, в виде N2, NH3, NO, NO2 и соединений азотной и азотистой кислот и в других видах. Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид азота NO и его диоксид NO2.

Окислы азота – газообразные вещества, которые могут вырабатываться микроорганизмами, а кроме того, возникать в процессах горения, при высокой температуре – особенно в автомобильных двигателях, в топках электростанций, а также в химической промышленности. Попадая в атмосферу, техногенные окислы серы и азота, пройдя ряд промежуточных химических реакций, типа 4NO2 + 2H2O + O2 > 4HNO3, превращаются в кислоты и выпадают в виде кислотных дождей. Вследствие этого понижается оптимальная для жизнедеятельности наземных и водных организмов величина pH.

Роль монооксида и диоксида азота приходится оценивать совместно, т. к. в атмосфере эти газы встречаются только вместе. Окислы азота могут раздражать органы дыхания, особенно в том случае, если кроме них в воздухе присутствует двуокись серы и они действуют комплексно. Под действием этих газов могут утяжеляться уже имеющиеся заболевания дыхательной системы – бронхит, астма, и сильнее распространяются инфекции дыхательных путей

Повышенные концентрации оксидов азота должны рассматриваться как вещества, представляющие серьезную опасность для здоровья человека. Особенно подчеркнем, что допустимые нормы определены только для взрослого человека и не учитывают отрицательное действие этих газов на развивающийся организм ребенка. К тому же данные нормы не учитывают возможности комбинированного действия других вредных газов. Поэтому можно предположить, что загрязнение задерживает физическое и психическое развитие детей.

Тяжелые металлы

Этим термином обозначают в основном политропные яды, которые с относительно небольшой избирательностью накапливаются в разных органах и тканях и дают широкий спектр патологических симптомов. Ядовитое действие ионов тяжелых металлов в значительной мере связано с их способностью прочно соединяться с белками и нарушать нормальную работу ферментов и других биологически активных белковых веществ (Николаев, 1988, с. 114). Особую опасность для человека представляют измельченные (в виде пылевых частиц) формы тяжелых металлов. Попадая в легкие и бронхи, они вступают в те или иные соединения с клеточным содержимым и переходят в кровь. Наиболее опасными, даже в малых концентрациях, являются ртуть, свинец, кадмий, таллий, бериллий, стронций и другие металлы.

Ртуть в условиях производства может встретиться как в виде солей, так и в виде металла. Крайне опасны органические соединения ртути (этилмеркурхлорид и др.). Ртуть хорошо растворима в воде (Николаев, 1988, с. 115), а поэтому ее пары могут легко всасываться в легких и кишечнике. При отравлении ртутью в первую очередь страдают почки, т. к. ионы ртути энергично соединяются в организме с группами SH белков и прочно удерживаются в получившихся комплексах. Оказывается, что больше всего белков, богатых этими группами, содержится в почках. При отравлениях ртутью, кроме почек, страдают нервная система и другие органы человека.

Свинец относится к числу наиболее опасных ядовитых металлов – загрязнителей окружающей среды. Он поступает в атмосферу от промышленных предприятий и в результате неполного сгорания горючего в моторах автомобилей, работающих на бензине. Свинец содержится в красках, служащих антикоррозийными покрытиями. Он может выделяться из оцинкованной посуды (в цинке возможна примесь свинца), из глазури в керамической посуде, свинцового стекла, особенно при потреблении кислых блюд и напитков. Этот металл способен поражать систему кроветворения, нервную систему, печень, почки. Поступая в организм с водой, вдыхаемым воздухом или пищей, свинец образует соединения с органическими веществами. Многие из них нейтропны и способны вызвать энцефало– и нейропатии.

Отравление чаще всего носит хронический характер. Предельно допустимая концентрация свинца – 0,00001 мг/л. (Николаев, 1988, с. 117). Долгое время свинец может оставаться в головном мозге.

Таллий, попадая в организм, накапливается в волосах, костях, почках, мышцах. Выпадение волос – признак отравления этим металлом. Кроме этого поражаются желудочно-кишечный тракт, нервная система и почки.

Нельзя недооценивать действие на организм человека накапливающегося вблизи земной поверхности кадмия. Загрязнение организма человека кадмием происходит из продуктов питания, питьевой воды и воздуха. Этот металл используют в производстве аккумуляторов и для получения гальванических защитных покрытий на металлических деталях. Кадмий вытесняет кальций и замещает цинк в составе биомолекул, что приводит к нарушениям важных биохимических реакций. Накапливаясь в печени и почках, кадмий вызывает почечную недостаточность и другие нарушения. У детей хроническое отравление кадмием вызывает нейропатии и энцефалопатии. Кадмий способствует образованию желтоватого налета на зубах, повышает возможность возникновения рака легких.

Какова же география загрязнения регионов РФ?

На основании данных многолетних наблюдений (1982–1995) системы комплексного фонового мониторинга Росгидромета (СКФМ), среднегодовые значения концентрации свинца в атмосфере районов России составляют:

♦ 2,5-16 нг/мЗ – для центральной части европейской территории России (ЕТР);

♦ 0,8-13,2 нг/мЗ – для южных районов ЕТР;

♦ 1,5–4,4 нг/мЗ – для Сибири;

♦ 5-19 нг/мЗ – для Дальнего Востока.

В российском секторе Арктики фоновая концентрация свинца в воздухе составляет 0,23-3,8 нг/м3 (среднемесячные значения).

Пространственное распределение фонового содержания свинца в атмосфере неоднородно и в значительной степени определяется распределением его антропогенных источников на территории России. Фоновое содержание свинца в атмосфере (данные максимальных разовых, среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых концентраций) не превышает значений предельно допустимых концентраций (ПДК).

Как правило, наиболее высокие концентрации свинца в фоновых районах наблюдаются в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.

За последние 5 лет в большинстве районов России наблюдается уменьшение содержания свинца в атмосфере, что связано как с сокращением производства и, соответственно, выбросов свинца внутри страны, так и со снижением трансграничного переноса свинца вследствие сокращения потребления этилированного бензина за рубежом. Наиболее заметное снижение концентрации свинца в воздухе регистрируется в центральной части ЕТР.

Максимальный уровень загрязнения природных сред регистрируется в городах и промышленных центрах. Значения средних за 1989–1995 гг. концентраций свинца в атмосфере городов составили 0,01-0,5 мкг/мЗ. Для большинства городов России среднегодовая концентрация свинца не превышала значений 0,1 мкг/м3.

Наиболее высокий уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий принятые в России нормы (ПДК – 0,3 мкг/м3), отмечался в 1994–1995 гг. в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш, Владимир, Владивосток (до 0,5 мкг/м3).

Значения среднемесячных концентраций свинца в атмосфере отличаются большей изменчивостью по сравнению с данными его среднегодового содержания в воздухе. В 1995 г. в 29 городах России среднемесячные концентрации свинца превышали значения ПДК.

По данным 1995 г., средняя концентрация свинца в воздухе городов России составляет 0,07 мкг/м3.

Промышленные источники свинца обуславливают загрязнение обширных территорий за счет процессов дальнего атмосферного переноса загрязненных воздушных масс.

В целом, вследствие трансграничного переноса на европейскую территорию России (ЕТР) в 1991 г. из-за рубежа поступило более 3 тыс. т свинца.

Имеющееся информационное обеспечение не позволяет сделать такие же расчеты для азиатской части России. Однако предварительные оценки показывают, что поступление свинца из Китая в восточную зону и на Дальний Восток, а также из Казахстана на юг Западной Сибири составляет 2,5–3 тыс. т. При этом баланс трансграничного переноса свинца также положителен. Следовательно, ориентировочная величина суммарного поступления свинца на территорию России вследствие его трансграничного переноса может составить около 5–6 тыс. т в год. Содержание свинца в атмосферных осадках изменяется по территории России от 0,05 до 7,3 мкг/л (среднегодовые значения за 38 лет наблюдений). Наиболее высокое загрязнение осадков свинцом наблюдается в северозападном, центральном и южном районах ЕТР (4,5–7,3 мкг/л). В непромышленных районах Республики Саха (Якутия), Магаданской области, а также в российском секторе Арктики регистрируется самая низкая для территории России величина этого показателя (0,05-0,3 мкг/л).

Максимальное содержание свинца в атмосферных осадках регистрируется зимой, что обусловливается более высоким уровнем загрязнения воздуха в этот период.

Загрязнение осадков свинцом в городах и промышленных центрах значительно (до 10 раз) превышает соответствующие данные, полученные для фоновых районов.

Максимальные выпадения свинца регистрируются в северо-западном, центральном и южных районах ЕТР (2,9–4,6 кг/км). Это в 10-100 раз превосходит соответствующие значения в арктических районах России, Республике Саха (Якутия), Магаданской области.

В целом, концентрация свинца в различных регионах России составляет в среднем 2,5 мкг/л. Соотнеся эти концентрации с величинами атмосферных выпадений в отдельных регионах и их площадями, можно сделать вывод, что фоновые природные источники ответственны за поступление примерно 17 тыс. т свинца на всю территорию России.

Обобщение результатов наблюдений, выполняемых в рамках мониторинга по загрязнению снежного покрова, позволило определить объемы потоков свинца на подстилающую поверхность, которые составили 0,5-20 кг/км в год для большинства регионов России.

Результаты наблюдений свидетельствуют о зональном характере распределения плотности выпадений (нагрузок) свинца на поверхность. Минимальный уровень нагрузок характерен для северных и северо-восточных районов (0,05-1 кг/км2 в год). Умеренный уровень нагрузок (1–3 кг/км2 в год) регистрируется в западных районах России, центральной зоне Сибири, Забайкалье, на побережье Охотского моря и в Приморье. Повышенный уровень нагрузок свинца (3–5 кг/км2 в год) характерен для районов Уральского региона, юга Сибири, Хабаровского края, Сахалина и Камчатки.

На ЕТР наиболее высокие нагрузки наблюдаются в Московской, Владимирской, Горьковской. Рязанской, Тульской и Ленинградской областях, а также в таком промышленном районе, как Таганрог-Шахты – Ростов-на-Дону.

Локальные аномалии высоких значений выпадений свинца (30-600 кг/км в год) отмечаются на территориях, прилегающих к крупным промышленным центрам черной и цветной металлургии. Зона влияния таких центров может составлять до нескольких сотен квадратных километров. Территории, прилегающие к городам с иными источниками поступления свинца в атмосферу, характеризуются значениями нагрузок от 5 до 20 кг/км2 в год. В целом на территории России выпадает около 30 тыс. т свинца ежегодно, в том числе:

♦ выпадения за счет естественных источников свинца (фоновые) – ориентировочно 17 тыс. т;

♦ выпадения за счет трансграничного переноса свинца – около 6000 т;

♦ выпадения за счет российских источников – около 7000 т.

Возрастающие темпы изменения окружающей среды приводят к нарушению взаимосвязи между ней и человеком, снижению адаптационных возможностей организма.

Всемирная организация здравоохранения в 1968 г. основным критерием состояния природной среды определила здоровье населения.

На экологическое неблагополучие особенно остро реагирует детский организм. Увеличивается число хронических болезней детского возраста (аллергических, бронхиальнолегочных, сердечно-сосудистой системы, болезней почек, печени, крови и т. д.). Высокий уровень загрязнения приводит к дефициту кислородного обеспечения организма, в первую очередь, детского, что сказывается на нормальной деятельности всех его систем, особенно нервной системы.

Таким образом, можно сделать вывод, что загрязнение воздуха влияет на все важнейшие системы организма человека: центральную и периферическую нервную систему, кроветворение, внутреннюю секрецию. Загрязнение влияет на репродуктивную функцию, способствует возникновению злокачественных опухолей, нарушению наследственного аппарата. Действие загрязняющих веществ на организм взрослого человека изучено достаточно хорошо, но ведь детский созревающий организм гораздо более чувствителен к воздействию загрязнения. У детей 6-летнего возраста значительную проницаемость имеет гематоэнцефалический барьер – мощный защитный фактор, препятствующий проникновению вредных веществ в мозг. В результате нарушаются тонкие биохимические процессы, и в связи с этим может возникнуть задержка или отклонение в развитии центральной нервной системы, что создает трудности при поступлении в школу (Борисова и др., 1986, с. 89–106; Колесник, Корсунов, 1990, с. 194–196).

10.1. Общая характеристика

По данным разнообразных исследований, доминирующими загрязнителями атмосферы являются автомобильный транспорт, предприятия электроэнергетики и многочисленные котельные. Из основных веществ в списке представлены оксиды азота, сероводород, оксид углерода и ряд других веществ. Значительный вклад в этот процесс вносят основные города Приморья (Владивосток, Уссурийск, Артем, Находка, Спасск-Дальний и др.).

Город Уссурийск входит в список городов Дальнего Востока с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха, наряду с Благовещенском, Комсомольском-на-Амуре, Магаданом, Нерюнгри, Петропавловском-Камчатским, Хабаровском и Южно-Сахалинском (Жук, 2006, с. 3–13).

В частности, по многолетним данным и соответствующим оценкам специалистов, г. Уссурийск является одним из самых загрязненных городов Приморского края. По данным санитарно-эпидемиологической службы, ежегодно котельными, промышленными предприятиями и автомашинами здесь выбрасывается количество вредных веществ, превышающее ПДК в 2–3 раза (табл. 6).

Таблица 6

Выбросы в атмосферу вредных веществ в Уссурийске

На территории Приморского края наблюдения за качеством воздуха проводятся в семи городах: Артеме, Владивостоке, Дальнегорске, Находке, Партизанске, Спасске-Дальнем, Уссурийске. Во Владивостоке имеется шесть пунктов наблюдений, в остальных городах – по одному. На стационарных постах сети отбор проб атмосферного воздуха производится в основном по неполной программе (а именно в 7, 13, 19 часов местного времени). При этом контроль осуществляется за концентрациями взвешенных веществ (пыль), диоксида серы, растворимых сульфатов, оксида углерода, диоксида и оксида азота, сероводорода, формальдегида, бензапирена и тяжелых металлов.

Оценка качества воздуха в России производится в соответствии с принятыми Минздравом стандартами предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК подразделяются на максимально разовые (осредненные за 20 минут) и среднесуточные. Средние за месяц и за год концентрации обычно сравниваются со среднесуточными ПДК. Концентрации, измеренные за 20 минут, сравниваются с максимально разовыми ПДК.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), состояние окружающей среды вносит в здоровье каждого человека в среднем до 20 % вклада. Уровень риска здоровью населения обычно соотносится с уровнем загрязнения выше предельно допустимых концентраций. В среднем за сутки легкие человека пропускают около 20 кубометров воздуха, и если в этом воздухе постоянно присутствуют повышенные концентрации окислов азота, бензапирена, а порою и других вредных веществ, то это неблагоприятно сказывается на здоровье населения.

Среди загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу городов с антропогенными выбросами от промышленности, электростанций и автотранспорта, по количеству выбросов и вредности к наиболее важным относятся: бензапирен, окислы азота, оксид углерода, взвешенные вещества, тяжелые металлы.

Выше уже отмечалось, что бензапирен – канцерогенное вещество, способствующее развитию онкологических заболеваний, поступает в атмосферу в результате сгорания различных видов топлива. Этот элемент может поступать в организм человека через кожу, органы дыхания, пищеварительный тракт и трансплацентарным путем. Причем при всех способах воздействия удавалось вызывать злокачественные опухоли у животных. Всемирная организация здравоохранения рекомендовала среднегодовое значение 1 10-6 мг/м3 как величину, выше которой могут наблюдаться не благоприятные последствия для здоровья человека.

По наблюдениям регионального УГМС, в прошлые годы воздушный бассейн городов Приморского края в наибольшей степени был загрязнен бензапиреном, диоксидом азота и взвешенными веществами. Во Владивостоке воздух также загрязнен формальдегидом.

Среднегодовая концентрация бензапирена превысила допустимую норму:

♦ во Владивостоке – в 2 раза;

♦ в Находке – в 1,6 раза;

♦ в Партизанске – в 3,8 раза;

♦ в Уссурийске – в 5,3 раза.

Наибольшая из среднемесячных концентрация бензапирена, превысившая норму в 15,9 раза, наблюдалась в Уссурийске в феврале.

Среднегодовые концентрации диоксида азота превышали ПДК:

♦ в Артеме, Владивостоке, Спасске-Дальнем – в 2 раза;

♦ в Партизанске и Уссурийске – в 1,8 раза.

В Находке среднегодовая концентрация диоксида азота на уровне 1 ПДК, а в Дальнегорске не превышала норму. Максимальная концентрация этой примеси (7,2 ПДК мр) зарегистрирована во Владивостоке на ПНЗ № 1 (ул. Светланская) 7 декабря при слабом северо-западном ветре. Наибольшая за год повторяемость случаев превышения ПДК мр диоксида азота, составившая 55 %, отмечалась также в районе ул. Светланской во Владивостоке. Среднегодовая концентрация пыли в воздухе составила:

♦ в Уссурийске – 1,4 ПДКсрсут.;

♦ во Владивостоке – 1,1 ПДКсрсут.

В городах Артеме, Дальнегорске, Находке, Партизанске и Спасске-Дальнем среднегодовая концентрация пыли не превышала допустимой нормы.

10.2. Использование земельных ресурсов

Почвенный покров Приморского края и масштабы его деградации [2]Использование земельных ресурсов. Данные Интернета (http/www.eruditia.ru/raf/id.28092).

Приморский край входит в южно-таежную лесную Амуро-Уссурийскую и лесостепную Амуро-Ханкайскую области и горную Южно-Сихотэ-Алиньскую провинцию. Горы занимают около 72 % территории края, а равнины, имеющие первостепенное значение для сельскохозяйственного производства, только 28 % территории. Основные сельскохозяйственные угодья приурочены к равнинным и пологосклоновым территориям. Общий земельный фонд Приморского края составляет 16 452,9 тыс. га. За сельскохозяйственными предприятиями закреплено 2810,4 тыс. га земельных угодий, что составляет 17 % общего земельного фонда края. Обеспеченность пашней одного жителя края составляет 0,36 га, что в два раза ниже, чем по России. За колхозами и совхозами края закреплено 50 % земельных угодий. Наиболее освоенными в сельскохозяйственном отношении являются Хорольский, Ханкайский, Михайловский районы (более 70 % освоенности), затем Октябрьский (60 %) и Черниговский (65 %) районы. Осушенные земли составляют 47,2 тыс. га почвенного покрова, орошаемые – 89,0 тыс. га, в том числе пахотные угодья – 361,2 тыс. га. Потенциальные резервы увеличения сельскохозяйственных угодий в пределах существующей освоенной территории составляют 245 тыс. га, в том числе за счет болот – 166,8, кустарников и редколесий – 78,6 тыс. га. Структура посевных площадей сложилась следующим образом:

♦ под зерновыми культурами занято 35 % (в том числе 15 % под рис);

♦ соей – 20 %;

♦ картофелем – 6 %;

♦ овощами – 2 %;

♦ кормовыми культурами – 38 %.

Состояние сельскохозяйственных угодий края неблагоприятное:

♦ каменистые земли составляют 297,8 тыс. га;

♦ закустаренные – 181,2 тыс. га;

♦ закочкаренные – 57,8 тыс. га, заболоченные – 216,0 (в том числе 26,0 тыс. га пашни);

♦ переувлажненные – 377,0 тыс. га (в том числе 151,2 тыс. га пашни);

♦ кислые – 983,4 тыс. га (в том числе 151,2 тыс. га пашни).

Пахотные земли, подверженные ветровой эрозии, составляют 2,5 тыс. га, водно-ветровой эрозии – 14,2 тыс. га.

Сельскохозяйственные угодья от общей площади угодий края составляют:

♦ Ханкайского природно-хозяйственного района (ПХР) – 36 %;

♦ Южно-Приморского – 20 %;

♦ Среднеуссурийского – 19 %;

♦ Центрально-Сихотэ-Алиньского – 9 %;

♦ Восточно-Сихотэ-Алиньского – 8 %.

Около половины пашни (47 %) сосредоточено в Ханкайском ПХР. На Среднеуссурийский и Южно-Приморский ПХР приходится по 18 % пашни, Центрально-Сихотэ-Алиньский и Верхнеуссурийский ПХР – 7и 5 % пашни соответственно. Аналогично распределяются сенокосы и пастбища.

Наиболее освоены (в сельскохозяйственном отношении) Ханкайский, Среднерусский и Верхнеуссурийский ПХР, а также Октябрьский административный район Южно-Приморского ПХР.

10.3. Деградация почвенного покрова

Для поддержания в почве на высоком уровне биологических и физико-химических процессов необходимо, чтобы она в пахотном слое (для легкого и тяжелого гранулометрического состава) имела 2,5–3,0 % гумуса. В 1989 г. в среднем по краю 36,6 % пашни имели содержание гумуса до 2,5 %, что требовало внесения органических удобрений. За 1980–1989 гг. количество таких почв возросло на 77 тыс. га. Наиболее низкое содержание гумуса имеют почвы Приханкайского и Южно-Приморского ПХР (3,1 %), в которых доля пашни с критическим уровнем гумуса составляет 52,1 %.

Среди административных районов наименьшее среднее содержание гумуса в почве и большой процент почв с его критическим содержанием имеют почвы:

♦ Октябрьского (соответственно, 2,8 и 70,8 %);

♦ Уссурийского (2,8 и 57,8 %);

♦ Ханкайского (2,8 и 57,8 %);

♦ Красноармейского (3,2 и 52,7 %) районов.

Между четырьмя циклами обследования (1964–1980 и 1980–1989 гг.) в почвах большинства ПХР произошло снижение содержания гумуса. Наиболее сильное снижение отмечено в Среднеуссурийском, минимальное – в Восточно-Сихотэ-Алиньском и Южно-Приморском (восточная часть) ПХР За последние годы в ряде административных районов (Чугуевский, Надеждинский, Партизанский) наблюдается тенденция к незначительному росту гумуса в почве.

Насыщение сельского хозяйства мощными тракторами способствует значительной припашке нижнего обедненного органическим веществом горизонта, в результате чего происходит увеличение пахотного слоя и «разбавление» содержания гумуса.

Большое влияние на содержание гумуса оказывает общая система удобрений. Так, на лугово-бурых почвах Приморья в полном севообороте с двумя полями многолетних трав запасы гумуса в почве без применения минеральных удобрений сокращаются за 10 лет на 4,8 % (468 кг/га в год). Значительные потери гумуса отмечаются при строительстве и реконструкции рисовых ферм, что вызвано несовершенством технологии планировочных работ и, главное, полным отсутствием контроля. Выборочное обследование показало, что снижение содержания гумуса и интенсивная обработка почв приводят к разрушению структуры почвы, ухудшению ее агрофизических свойств, интенсивному коркообразованию, что способствует последующему развитию эрозионнодефляционных явлений.

Если разрушение агрегатов (дезагрегация) наблюдается преимущественно на пахотных землях, то переуплотнение почвы отмечается также на сенокосах и пастбищах. Уплотняющие деформации во время прохода тяжелой техники приводят к увеличению плотности почвы на 0,5 г/см3 и возрастанию ее твердости в 1,5–8,4 раза. Наиболее широко эти процессы распространены на рисовых системах в период подготовки почв к посеву, а на осушаемых и других землях – во время уборочных работ, когда почва переувлажнена. Наиболее неблагоприятная обстановка по дезагрегации и переуплотнению почв сложилась в Среднеуссурийском, Ханкайском и Южно-Приморском ПХР.

10.4. Затопление паводковыми водами

Наводнения приносят значительный ущерб сельскохозяйственному производству, нарушают его инфраструктуру. Ущерб складывается из потерь пашни и других сельскохозяйственных угодий за счет смыва плодородного пахотного слоя и посевов. Например, в 1989 г. тайфун «Джуди» нанес сельскому хозяйству края убыток в 158,6 млн руб. Было затоплено 196 тыс. га сельскохозяйственных угодий, из которых 163 тыс. га составляла пашня (более 20 % от общей площади по краю). Было смыто более 6,0 тыс. га не-мелиорированной и около 0,5 тыс. га осушенной пашни.

Кроме того, не были учтены такие негативные последствия затопления, как заиление сенокосов, пастбищ и пашни, потеря плодородия из-за частичного смыва пахотного горизонта, подтопление незаливаемых территорий.

10.5. Переувлажнение и дефицит влаги в почвах

Тяжелый механический состав почвогрунтовой толщи, интенсивные и затяжные осадки вызывают переувлажнение почв значительной части сельскохозяйственных районов, при этом 89 % площади пашни и 77 % всех угодий края переувлажняются, поэтому ведение сельскохозяйственного производства без осушительной мелиорации затруднено.

Отрицательно влияет на урожай и недостаток атмосферных осадков, что особенно проявляется весной и в первой половине лета. Дефицит влаги может превышать 80–90 мм за месяц. Недостаток влаги в почве наиболее отрицательно сказывается на урожае многолетних трав, зерновых культур, овощей и раннего картофеля. Поэтому одним из существенных методов мелиорации является орошение как осушаемых, так и не осушаемых земель.

Переизвесткование, неравномерное внесение и складирование удобрений и мелиорантов непосредственно на поле приводит к возрастанию пестроты почв и значительному выносу элементов-биофилов с дренажными и поверхностными водами, эвтрофикации водоемов. Загрязняются почвы и воды гербицидами при их ненормированном применении. Из-за отсутствия внутрихозяйственной эксплуатации каналы и полосы зарастают сорной растительностью и являются ее рассадниками. Несоблюдение почвозащитных агротехнических мероприятий приводит к эрозивным явлениям, дефляции, что резко ухудшает общую экологическую обстановку.

10.6. Кислотность почв, их известкование, фосфоритирование и калинирование

Повышенная кислотность почв резко снижает их плодородие. Кроме причин естественного характера, усиление кислотности происходит из-за применения физиологически кислых удобрений, выпадения кислотных дождей. Наиболее неблагоприятные условия питания растений складываются на сильно– и среднекислых почвах. Если судить по средневзвешенным показателям, то наиболее кислые почвы распространены в Среднеуссурийском ПХР (рН солевой вытяжки 4,4). Кислотность их за четыре тура обследования (1965–1989 гг.) изменилась до рН 4,8. По краю средневзвешенный показатель рН солевой вытяжки с 1965 г. повысился с 4,8 до 5,1, а наличие почв, подлежащих известкованию, составляет ныне свыше 400 тыс. га. Из-за организационных неурядиц значительное количество известковой муки теряется на пути от вагона до поля. Отсутствие складского хозяйства, должностного контроля за качеством известкования иногда приводит и к переизвесткованию отдельных полей, что снижает урожай сельскохозяйственных культур. Несовершенство технологии внесения извести усиливает пестроту почв по кислотности. Зимнее, а также весеннее некачественное внесение известковой муки (при несоблюдении инструктивных требований) приводит к смыву ее талыми водами, сдуванию весенними ветрами. Это резко изменяет гидрохимическую обстановку естественных водоемов.

Таким образом, уровень кислотности и обеспеченность почв Приморского края фосфором являются неблагоприятными для их экологического состояния. Менее критическое положение по калию.

10.7. Эрозия и дефляция почв

Распределение сельскохозяйственных угодий таково, что значительная их часть в Ханкайском, Южно-Приморском, в меньшей степени в Среднеуссурийском и Верхнеуссурийском ПХР, приурочена к уклонам более 3 и является эрозийно опасной. В горнодолинных районах эти угодья расположены вблизи пойм рек. В крае широко распространены водная и ветровая эрозии почв, формы проявления которых разнообразны. На рисовых плантациях, на склоновых землях при возделывании суходольных культур это смыв и размыв, дефляция (ветровая эрозия), волнобой; на овощекартофельных плантациях – случайный размыв, речная эрозия, разрушение каналов; на сенокосных и пастбищных угодьях – сенокосная и пастбищная дигрессия (разрушение), выгорание, развеивание осушенных угодий. Кроме того, совместное проявление водной и ветровой эрозии отмечено на 30 тыс. га пашни. Таким образом, более половины площадей пашни в крае требуют повышенного внимания и остро нуждаются в противоэрозионных мероприятиях. Усилению эрозионных процессов способствует интенсивное строительство мелиоративных систем, дорог без залужения откосов, что при ливневом характере выпадения осадков вызывает размыв и вынос илистых частиц в реки и водоемы. Это сильно осложняет экологическую обстановку в водотоках, а также на водораздельных пространствах и склонах. Кроме непосредственного снижения качества основного средства производства – земли, эрозия приводит к заилению расположенных ниже по уклону сенокосных, пастбищных и других угодий, загрязнению нерестовых рек.

10.8. Загрязнение почв

Загрязнение почв пестицидами в Приморье пока изучено недостаточно. Контролирующих организаций, определяющих их содержание в почве, нет. Анализ немногочисленных данных позволяет предположить, что загрязнение пестицидами вызвано безграмотным их применением. Во многих совхозах нет специально построенных складов для хранения ядохимикатов, оборудованных пунктов приготовления растворов, мест промывки оборудования и т. д. Внесение пестицидов авиаметодом необходимо расценивать как экологическую диверсию против природы и человека.

К зонам массовой пестицидной нагрузки необходимо отнести рисовые плантации, овощеводческие участки, картофельные поля, сады и ягодники. Применяемые в крае пестициды относятся к средне– и высокотоксичным. По объему и дозам вносимых токсикантов на первом месте стоят Ханкайский и Южно-Приморский ПХР.

Загрязнение почв и вод отходами промышленности возникает в результате:

♦ применения так называемого местного минерального и органического сырья в качестве удобрений;

♦ внесения биоцидов, несбалансированного применения органических и минеральных удобрений;

♦ загрязнения углеводородными соединениями, используемыми в качестве топлива и смазочных материалов.

Зольные бытовые отходы, образующиеся после сжигания промышленного бытового мусора, имеют большое количество тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий, олово и др., что ограничивает их применение.

Органические и минеральные удобрения

Деградационные явления в почвах при применении удобрений возникают в результате несоблюдения технологии транспортировки, хранения и внесения удобрений, нарушения обоснованной системы применения удобрений. Именно поэтому загрязняются атмосфера, почвы, поверхностные и грунтовые воды.

Увеличение норм внесения удобрений (при их несбалансированности) ухудшает качество продукции и состояние окружающей среды. Наиболее высокие дозы удобрений вносят под рис, картофель, овощи (в 5 раз больше, чем под зерновые и сою). Несбалансированное внесение азота приводит к накоплению нитратов и нитритов, особенно в свекле, моркови, капусте.

Число случаев превышения (в процентах от проверенной продукции) ПДК по Приморью приводится в табл. 7.

Таблица 7

Превышение ПДК (в процентах от проверенной продукции)

Таким образом, можно констатировать, что уже к концу 80-х гг. ХХ в. в крае сложилась неблагоприятная «нитратная обстановка», которая не улучшается и по сегодняшний день.

К побочному загрязнению почв и вод минеральными удобрениями относится накопление ионов хлора, натрия, вносимых с калийными удобрениями, и фтора – с суперфосфатом.

При применении фосфорных удобрений в качестве примесей вносятся кадмий, свинец, ртуть, цинк. Складирование удобрений на открытых, неподготовленных площадках приводит к возникновению на почве участков, лишенных всякой растительности. По пахотным угодьям они составляют 1,0–1,5 %, или 7-10 тыс. га (экспертные оценки).

Тяжелые металлы

Увеличению содержания тяжелых металлов (ТМ) до концентраций, опасных для здоровья человека, способствуют применение пестицидов, больших доз фосфорных удобрений, внесение илов со станций очистки сточных вод и промышленного производства. Отрицательное действие ТМ проявляется при определенных условиях почвенной среды, позволяющих им приобрести подвижность, перейти в почвенный раствор и далее в растение.

Тяжелый гранулометрический состав большинства почв края, обладающий высокой емкостью поглощения, предопределяет меньшую опасность загрязнения среды ТМ, а кислая реакция почв – неблагоприятна для их закрепления. Для детоксинации ТМ важное значение имеют содержание в почве органического вещества и ее хороший дренаж.

Из накапливающихся ТМ наибольшую опасность при применении минеральных удобрений имеют свинец, кадмий и ртуть. Применение удобрений приводит к резкой мобилизации в почвах марганца, мышьяка, ванадия, свинца (в 1,5–2 раза) и стронция (в 4 раза).

Среднегодовые концентрации тяжелых металлов, оксида углерода, оксида азота, сероводорода, диоксида серы, сульфатов, аммиака и серной кислоты в воздухе городов края не превышали допустимых норм.

Городской воздух, как правило, наиболее загрязнен вблизи автомагистралей с интенсивным движением транспорта. Суммарные выбросы вредных веществ в атмосферу города Владивостока (по данным Комитета природных ресурсов) в 2000 г. составили около 125 тыс. т. Более половины из них – это выбросы автотранспорта. Около 60 % всех окислов азота, поступающих в атмосферу Владивостока, 80 % окиси углерода и 97 % всех углеводородов обусловлено выбросами автотранспорта. По данным ГАИ, в конце 2000 г. во Владивостоке насчитывалось более 218 тыс. транспортных единиц.

Загрязнение почв нефтепродуктами

Важное значение имеет охрана почв и почвенных вод от загрязнения нефтепродуктами, которые попадают в почву в процессе их транспортировки, хранения, затаривания и т. д. Нефтепродукты оказывают токсическое действие на растения, почвенную микрофлору и животных. Особое место в загрязнении почв занимают полициклические углеводороды, которые обладают канцерогенным действием и могут сохраняться в почве до 15–20 лет.

Площади почв, загрязненных нефтепродуктами, обычно, невелики (близ хранилищ заправочных станций, автобаз, полевых станов), однако ареал их загрязнения с годами увеличивается. По ориентировочным подсчетам, площадь нефтезагрязненных почв в крае в пределах сельскохозяйственной зоны составляет 1,2 тыс. га. В настоящее время не существует детально разработанного и экологически чистого способа рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами.

Наиболее эффективным и чистым является биологический метод рекультивации с применением адаптированных культур микроорганизмов, окисляющих нефтепродукты (этот метод приемлем при температуре воздуха не ниже 1 °C).

10.9. Динамика потерь земельных ресурсов

За 1971–1989 гг. В Приморском крае для несельскохозяйственных нужд было отведено более 110 тыс. га угодий, из которых 45,3 % составляли земли сельскохозяйственных предприятий. По пятилетиям наблюдается тенденция роста изъятия земель в постоянное и долгосрочное пользование за счет предприятий сельскохозяйственного профиля. С 1965 г. по настоящее время на 25,0 тыс. га уменьшилась площадь приусадебных участков в связи с ликвидацией неперспективных населенных пунктов и «упорядочением земель» (отрезкой огородов).

Площадь пашни за 1981–1985 гг. уменьшилась на 13,7 тыс. га, в том числе за счет отвода другим землевладельцам – на 1,7 тыс. га. Переведено в залежи – 1,8, под многолетние насаждения – 0,2, пастбища – 0,3, под внутрихозяйственное строительство – 1,4 тыс. га пашни.

Площади вновь вводимых сельскохозяйственных угодий значительно меньше, чем выбывших, но это не учитывается при компенсациях. Потери земельных угодий на мелиорированных территориях края составили 24,9 тыс. га, из них:

♦ под водохранилища – всего 9,9 (коммунально-бытового назначения – 4,9, сельскохозяйственного назначения – 5,0);

♦ под плотины, дамбы, каналы на мелиорированных системах —

14,9 тыс. га (на осушительных – 11,7, оросительных – 3,3 тыс. га).

При напряженном положении с пахотными угодьями продолжается необоснованный отвод земель для несельскохозяйственных целей. Тревогу вызывает отсутствие действенных мер по рекультивации земель, занятых отработанными участками действующих угольных разрезов. Из 3,9 тыс. га таких площадей до 1980 г. рекультивировано только 42 %, до 1989 г. – до 70 % от планируемых площадей. Нарушенные при добыче стройматериалов земли не рекультивируются.

Рекультивируемые Минуглепромом сельскохозяйственные земли не могут использоваться по назначению, имевшему место до вскрышных работ. Из учтенных 9,5 тыс. га земель, нарушенных этим ведомством, рекультивировано только 980 га, в том числе под сельскохозяйственные угодья и пашню – 70 га.

Таким образом, потери земельных ресурсов достигают значительных величин. Компенсационные мероприятия, если они предусматриваются, не могут восстановить потенциал плодородия утраченных почв.

Стойкие органические загрязнения (СОЗ) представляют собой особую группу органических веществ, включающую представителей различных классов соединений, общими для которых являются опасные биологические свойства и стойкость в окружающей среде. СОЗ склонны к биологическому накоплению на верхних трофических уровнях в концентрациях, оказывающих существенное влияние на человека и природу.

Преобладающими источниками загрязнения окружающей среды СОЗ являются производство и применение некоторых пестицидов, химикатов, а также непреднамеренная выработка токсичных веществ в ходе сжигания топлива, отходов и химического производства.

Недостаточно контролируемый стихийный импорт пестицидов, низкое качество энергетических установок и двигателей внутреннего сгорания, производство опасных веществ и их выброс в окружающую среду уже оказывают на нее серьезное влияние, так же как и на здоровье населения России.

Пестициды (инсектициды, акарициды, гербициды, дефолианты, фунгициды, регуляторы роста) применяются для защиты растений от вредителей и болезней, для химической прополки, дезинфекции и дезинсекции животных, для санитарных целей и т. д.

С точки зрения воздействия на окружающую среду наиболее опасны хлорсодержащие органические пестициды, к которым можно отнести не только отдельно выделенные хлорорганические пестициды, но и хлорпроизводные карбоновых кислот, галогенопроизводные фенола и т. д.

В настоящее время перечень пестицидов (как отечественного производства, так и импортных), разрешенных для применения в Российской Федерации, составляет более 600 веществ.

Согласно данным отечественных и зарубежных ученых, примерно 80–85 % пестицидов человек получает с пищей. Пестициды могут проникать в пищевые продукты непосредственно при обработке почвы, лесов, семян, растительных продовольственных культур, в продовольственные запасы – при их хранении, а также через загрязненную воду и воздух.

Опасность этих соединений связана не только с их непосредственным использованием в сельском хозяйстве.

При производстве хлорсодержащих пестицидов образуются полихлорированные диоксины, которые могут содержаться как в выбросах предприятий по производству пестицидов, так и в конечной продукции.

К группе полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) относятся несколько сотен органических соединений (флуорантен, бенз/а/пирен, бенз/в/флуорантен, бенз/к/флуорантен, индено/123cd/пирен, бенз/ghi/перилен и др.).

Основными источниками загрязнения атмосферы такими веществами являются:

♦ коксохимическое производство;

♦ установки сжигания ископаемого топлива (ТЭС, ГРЭС, котельные);

♦ черная и цветная металлургия;

♦ производство строительных материалов;

♦ целлюлозно-бумажная, химическая, нефтехимическая, топливная промышленность;

♦ коммунальное хозяйство, транспорт, сельское хозяйство.

Определенный вклад в выбросы СОЗ вносят природные источники (лесные пожары, болота, вулканы).

В городах одним из основных источников загрязнения атмосферы ПАУ является автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания).

Полихлорированные бифенилы (ПХБ) и диоксины поступают в окружающую среду в результате процессов хлорорганического синтеза, высокотемпературного хлорирования органических веществ, сжигания хлорорганических соединений и твердых бытовых отходов, хлорирования воды, высокотемпературных процессов плавления меди и проката, утилизации ПХБ и отходов их содержащих, газообразных выбросов автотранспорта.

Напомним, что статья 1 Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях, подписанной Российской Федерацией в мае 2002 г., гласит: «Цель настоящей Конвенции заключается в охране здоровья человека и окружающей среды от стойких органических загрязнителей».

В статье 3 Конвенции изложены меры по сокращению или устранению выбросов СОЗ в результате преднамеренного производства и использования.

Центры госсанэпиднадзора в субъектах Российской Федерации проводят мониторинг загрязнения объектов окружающей среды СОЗ.

Так, в ИЛЦ ЦГСЭН в Приморском крае проанализировано 219 проб, в том числе 79 проб почвы, 109 проб воды, 31 проба растениеводческой продукции, выполнено 3285 исследований. Содержание пестицидов обнаружилось в 90 % исследованных образцов.

В почве, отобранной с полей, рисовых чеков и селитебной зоны содержание пестицидов обнаруживалось в 100 % исследованных проб, превышение ПДК установлено по молинату – 8,8 % проб, по 2,4Д – в 17 % проб, по децису – в 39 % проб, по ДДТ и его метаболитам – в 100 %. Наиболее широкий перечень пестицидов с превышением ПДК выявлен в почве на территории Хорольского и Ханкайского районов.

Содержание пестицидов обнаружено в 99 % проб воды из систем централизованного водоснабжения, колодцев, воды рек и озер, воды из каналов рисовых систем. Превышение ПДК установлено в 93,0 % исследованных проб, в том числе по молинату и 2,4Д – в 92,6 % проб, по децису – 59,6 % проб, по диазинону – в 58,6 % проб, по актеллику – в 24,9 % проб, по карбофосу – в 18,5 % проб, по ДДТ – в 93,0 % проб. Наибольшее число превышений отмечалось в пробах воды, отобранной из рек, озер и систем орошения рисовых чеков на территории Черниговского, Хорольского и Ханкайского районов.

Высокие концентрации 2,4Д обнаружены в воде из Ханкайского и Хорольского районов. Содержание 2,4Д обнаружено в 100 % проб воды нецентрализованного водоснабжения в Черниговском районе.

Содержание пестицидов в овощной продукции, в том числе с превышением ПДК, имело место в 90 % исследованных проб. В 29 % проб обнаружен пестицид 2,4Д – содержание которого в пищевых продуктах не допускается. Наряду с 2,4Д превышение ПДК обнаружено по молинату в 41 % исследованных проб, по децису – в 29 % проб, по диазинону – в 3 % проб, по ДДТ – в 90 %.

Отметим также следующее:

♦ комитет экспертов МАИР в 1997 г. ввел диксины в первую группу канцерогенной опасности, т. е. признал их «безусловно канцерогенными для здоровья человека»;

♦ агентством по охране окружающей среды США полихлорированные бифенилы отнесены к группе В2, т. е. возможных канцерогенов для человека;

♦ в экспериментах на животных найдены опухоли у крыс, экспонированных арохлором.

За время, прошедшее после подписания Стокгольмской конвенции, центрами госсанэпиднадзора в субъектах Российской Федерации проведена большая работа по организации и учету электротехнического оборудования, содержащего полихлорбифенилы (ПХБ), складов хранения запрещенных к применению пестицидов (Справка по стойким органическим загрязнителям (…), 2006 г.)

Распределение сельскохозяйственных угодий таково, что значительная их часть в Ханкайском, Южно-Приморском, в меньшей степени в Среднеуссурийском и Верхнеуссурийском ПХР приурочена к уклонам более 3 и является эрозийно опасной. В горно-долинных районах эти угодья расположены вблизи пойм рек.

В крае широко распространены водная и ветровая эрозии почв, формы проявления которых разнообразны. На рисовых плантациях, на склоновых землях при возделывании суходольных культур это смыв и размыв, дефляция (ветровая эрозия), волнобой; на овощекартофельных плантациях – случайный размыв, речная эрозия, разрушение каналов; на сенокосных и пастбищных угодьях – сенокосная и пастбищная дигрессия (разрушение), выгорание, развеивание осушенных торфяников. Эродированные почвы в пределах сельскохозяйственных угодий края составляют свыше 300 тыс. га. В эрозионноопасном состоянии находятся около 250 тыс. га пашни, 20 тыс. га сенокосов, 50 тыс. га пастбищ. Из них подвержено водной эрозии, соответственно, 274,1 и 70 тыс. га угодий. Кроме того, совместное проявление водной и ветровой эрозии отмечено на 30 тыс. га пашни.

В целом видно, что более половины площадей пашни в крае требуют повышенного внимания и остро нуждаются в противо-эрозионных мероприятиях. Усилению эрозионных процессов способствует интенсивное строительство милеоративных систем, дорог без залужения откосов, что при ливневом характере выпадения осадков вызывает размыв и вынос илистых частиц в реки и водоемы. Это сильно осложняет экологическую обстановку в водотоках, а также на водораздельных пространствах и склонах. Кроме непосредственного снижения качества основного средства производства – земли, эрозия приводит к заилению расположенных ниже по уклону сенокосных, пастбищных и других угодий, загрязнению нерестовых рек.

10.10. Лесные ресурсы

Значение растительных сообществ для выживания человека, а также для сохранения устойчивого состояния биосферы в комментариях не нуждается. Именно зеленые растения являются посредником между Солнцем и другими организмами, организованными в трофические цепи и сети. Фактически растения передают энергию Солнца нам.

Огромная роль в поддержании стабильности окружающей среды принадлежит лесам. Значение леса состоит в следующем:

♦ он является основным поставщиком кислорода на планете;

♦ регулирует водный режим рек и других водоемов;

♦ смягчает влияние засух и суховеев (вспомним создание лесозащитных полос, которые в годы советской власти практиковались у нас);

♦ защищает почвы от водной и ветровой эрозий и т. д.

Имеются данные (Рычнев и др., 1986, с. 62–63), что уничтожение лесов стимулировало формирование пойменно-болотных и луго-полевых очагов туляремии, играющих в последнее время основную роль в инфицировании людей. Оказывается, что обыкновенная полевка (Microtus arvalis Pall.) в лесной полосе нашей страны до ее освоения под земледелие была малочисленна. Пригодные для ее обитания биотопы в то время были представлены долинными лугами, склонами оврагов, окраинами болот, берегами рек, гарями, имевшими небольшие площади. Сведение лесов привело к тому, что на их местах образовались новые экологические ниши, идеально пригодные для обитания полевки. Обычными стациями этого грызуна стали все открытые биотопы с более влажным, по сравнению со степной зоной, климатом – вырубки, пойменные и лесные сенокосы, пастбища, поля и т. д. (Рычнев и др., 1986, с. 63).

Таким образом, вырубка лесов приводит не только к изменениям в видовом составе и обилии животных, но и к смене ландшафта. В частности, в центральной полосе Европейской части РФ лесной ландшафт сменился на лугово-полевой. Отметим, что главная функция леса – вместе с травянистыми растениями и другими хлорофилоносными сообществами сохранять неизменным газовый состав атмосферы и океана, т. е. осуществлять биотическую регуляцию окружающей среды.

Измерения соотношения газового состава свидетельствуют, что, несмотря на активный газообмен, осуществляемый между атмосферой и океаном, в каждой из них сохраняется постоянство O2/N2.

В атмосфере азота (по объему) в 4 раза больше, чем кислорода, а в океане – в 2 раза (Степанов, 1970, с. 43). Общий объем газов, растворенных в океане, огромен. По данным А. П. Виноградова, эта цифра равна 1,37 1024 см3, что примерно в 3 раза больше объема его вод, равного 1,37 1024 см3 (Степанов, 1970, с. 43–44). Главное, что было сформировано в процессе эволюции Земли и ее живых обитателей, так это то, что океаносфера стала способной восполнять недостаток газов в воздухе или поглощать их избыток, создающийся в процессе планетарного обмена. Именно океану отводится главная роль в регуляции постоянства газового состава планеты, а следовательно, нормальных условий для жизнедеятельности живых организмов. В целом гидросферу можно отнести к кибернетической, открытой (в термодинамическом смысле) системе, устойчивой к внешним и внутренним возмущениям. Это достигается большим внутренним разнообразием, которое создается одновременным существованием воды в трех фазах, резко различающимися составляющими, большим набором растворенных в воде веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур и биотой (Кормилицын и др., 1997, с. 58–60). В то же время, в результате сжигания органического топлива и сокращения лесных массивов в атмосферу стало поступать (дополнительно) около 1010 т СО2. Эта цифра не окончательна, и имеются данные, что «с начала нашего столетия вследствие возмущения биоты суши человеком она перестала поглощать углерод из атмосферы, и, наоборот, начала выбрасывать его, увеличивая, а не уменьшая загрязнение окружающей среды. Это означает, что структура естественной биоты суши оказалась нарушенной в глобальных масштабах. Учитывая, что вся хозяйственная деятельность человека направлена на преобразование биосферы, можно оценить порог антропогенного воздействия, с которого принцип Ле Шателье в биоте перестает действовать, т. е. биота и окружающая среда теряют устойчивость» (Горшков и др., 1990, с. 4–9). Напомним принцип Ле Шателье – Брауна: внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

10.11. Состояние лесных ресурсов Приморья

Известно, что самую высокую лесистость на Д В имеет Приморский край – 165,9 тыс. км2 (Урусов и др., 2002, с. 62). Современное состояние дальневосточных лесов, к сожалению, нельзя признать удовлетворительным. Интенсивная вырубка, частые лесные пожары и загрязнение территорий леса промышленными выбросами – все это привело к тому, что произошло резкое сокращение площадей ценных кедровых, пихтово-еловых и долинных широколиственных лесов и увеличение доли малоценных лиственных. На больших пространствах образовались кустарниковые пустоши, мари, заболоченные луга и болота (Урусов и др., 2002, с. 62–63).

Сегодня в Приморье уже имеется 7 % земель, не покрытых лесом. Напомним, что на 1 января 1983 г. леса гослесфонда занимали 11,1 млн га, или 67 % территории (Урусов с соавт., 2002, с. 73–74). На 1 января 2005 г. общая площадь лесного фонда Приморского края составила 11855,6 тыс. га, в том числе покрытых лесом 11373, 4 тыс. га (96 %).

Следует заметить, что, согласно сообщениям СМИ, в последние годы в крае отмечаются огромные по площади лесные пожары, а также хищническая вырубка ценных пород и их сбыт в зарубежные страны (Китай и др.).

Тогда за счет чего же увеличилась площадь, занимаемая лесом? По породам общие запасы леса следующие:

1) общая площадь, покрытая лесом, 11 373, тыс. га с общим запасом леса – 1752,41 млн м3;

2) площадь хвойных – 6369, 3 тыс. га с общим запасом – 1158,2 млн м3;

3) площадь кедровых лесов – 2169, 7 тыс. га с общим запасом – 423, 85 млн м3;

4) площадь твердолиственных (дуб, клен, береза желтая, ясень и др.) – 3099,2 тыс. га с общим запасом – 372,88 млн м3 (цит. по: Берсенев с соавт., 2006, с. 11).

Сокращение площадей, не покрытых лесом, – 118,7 тыс. га, в том числе гари – 40,6 тыс. га.

В пересчете на один га это составило, соответственно:

♦ хвойных – 182 м3/га (1158 млн м3/6369 тыс. га);

♦ кедра – 200 м3/га;

♦ твердолиственных пород – 120, 4 м3/га.

При плотности древесины (взяты для исчислений средние показатели):

♦ кедр – 0,55 г/см3 ;

♦ сосна и ель – 0,45 г/см3;

♦ береза – 0,7 г/см3;

♦ ясень – 0,7 г/см3;

♦ дуб – 0,8 г/см3 (в среднем 0,45 + 0,7 + 0,7 + 0,8 + 0,45)/5 = 0,62) (Кошкин, Ширкевич, 1980, с. 33).

Следовательно, запасы древесины леса в единицах фитомассы составят, соответственно:

♦ хвойных – 819 ц/га (450 кг/м3 182 м3/га);

♦ кедра – 1100 ц/га;

♦ твердолиственных – 746,5 ц/га.

В целом по всем породам леса плотность древесины должна быть равна – 0,54 г/см2 (0,45 + 0,55 + 0,62)/3.

Мы не будем касаться вопросов, связанных с рациональным введением лесного хозяйства, а обратим внимание на то, что человек потерял в результате интенсивной вырубки леса. Способен ли этот процесс внести свой негативный вклад в нарушение принципа Ле Шателье в современной биосфере?

Напомним, что в настоящее время происходит быстрое увеличение в атмосфере концентрации СО2.

Известно (Лархер, 1978, с. 141), что в процессах фотосинтеза и дыхания обмен углекислоты и обмен кислорода связаны друг с другом. Именно процесс фотосинтеза ответственен за выделение кислорода, который обеспечивает живые организмы нормальным дыханием.

Подсчитано, что наземные и морские (фитопланктон и макрофиты) растения выделяют ежегодно в атмосферу 70 109 т кислорода. На долю леса приходится 55 109 т. В умеренной зоне 1 га леса весной и летом выделяет в среднем 25 кг О2 в день (Лархер, 1978, с. 143).

Для последующих оценок будем исходить из представлений, что флору Приморья (да и всего Дальнего Востока) природа (эволюция) запрограммировала такой, которую мы в настоящее время и воспринимаем.

Что же собой представляет программирование урожая? Программирование урожайности отличается как от прогнозирования, так и от планирования. Это заблаговременное предопределение и направление процессов формирования урожая по заранее составленной программе с учетом физико-географических, почвенно-климатических факторов и биологических особенностей культивируемых растений. Точнее, сущность оптимизации программирования заключается в отыскании наивыгоднейшего варианта количественного и качественного сочетания основных факторов внешней среды, когда в каждом конкретном случае обеспечивается наибольшая, экономически целесообразная продуктивность возделываемых культур (Климова с соавт., 1974). Но это прямое участие человека в процессе продуцирования растений.

Можно подойти к пониманию идеи программирования урожаев несколько иначе. За длительный исторический период природа как бы «сама» создала на данной территории такие условия, которые стали наиболее оптимальными для произрастания растений и которые выработали адаптивные механизмы, позволившие им освоить искомую площадь наилучшим образом. Критерием данного «программирования» лесов (до вмешательства человека) было существование в Приморье обильных лесов.

Высокая продуктивность растений возможна при полной обеспеченности их всеми факторами жизни. Первым таким фактором является фотосинтетическая активная радиация (ФАР), которая участвует в процессах фотосинтеза и равна ц=40–50 % от общей, приходящей на данную местность и время, солнечной радиации. Поэтому первым этапом программирования урожая является определение максимально возможного (потенциального) урожая (Ymax), величина которого зависит от приходящей за вегетационный период ФАР и коэффициента (q) использования растениями приходящей ФАР на формирование биомассы (%). ФАР зависит еще и от широты местности, числа суммарной, прямой и рассеянной радиации Солнца и других величин. Этот показатель можно определить в соответствии со следующей закономерностью (Быков и Зеленский, 1982, с. 14–24):

Офар = Ос, (13)

где Q c – суммарная (интегральная) радиация Солнца, – коэффициент, равный 0,43-0,49.

Зная ФАР, можно определить коэффициент полезного действия фотосинтеза растений (q = к. п. д.) как долю или процент падающей энергии, которая запасается в конечных продуктах фотосинтеза:

, (14)

где Ymax – фитомасса растений (кг/га), Е – количество заключенной в растении энергии (ккал/кг), и Qфар – приходящая фар (ккал/га).

Энергетическую эффективность фотосинтеза можно еще выразить как (Быков, Зеленский, 1982, с. 14–24):

q = Кфар Рпогл Fэтц Wзам, (15)

где приведенные в (15) зкоэффициенты имеют, соответственно, следующие обозначения – коэффициент перехода от потока суммарной радиации к потоку ФАР, примем равным 0,47; второй коэффициент учитывает долю падающей ФАР поглощенной растениями. Естественно его величина зависит от плотности и структуры (архитектоники) распределения растений, пигмента, физиологического состояния растений и т. д. Примем в среднем за верхний предел поглощения ФАР лесом 0,85.

Третий коэффициент показывает долю ФАР, запасенную в первичных продуктах фотосинтеза (ЭТЦ – электротранспортная цепь).

Известно, что на восстановление одной молекулы СО2 до уровня углеводов требуется 4 электрона, а перенос каждого из них по ЭТЦ осуществляется эстафетой по Z-схеме двумя квантами света. Квантовый выход фотосинтеза таков, когда количество молекул реагирующего углекислого газа на квант света, который поглощается при фотосинтезе, равен приблизительно 0,25. Следовательно, на восстановление одной молекулы СО2 расходуется 4 кванта (hv) красного света (Лебедев, 1982, с. 151). Многочисленные экспериментальные определения квантовых выходов фотосинтеза показали, что при восстановлении одной молекулы СО2 поглощается 8-12 квантов света, или 8 энштейнов ФАР. Средний энштейн ФАР Солнца соответствует монохроматическому свету с длиной волны 575 нм. Его величина равна 49,7 ккал. При 8-квантовом расходе энергии, затрачивается на восстановление 1 моля СО2, до уровня крахмала, – 49,7 8 = 397,6 ккал. Калорийность крахмала равна 114 ккал/моль углерода, отсюда эффективность использования ФАР составляет Fэта = 0,286. Четвертый коэффициент в формуле (15) учитывает энергозатраты растения на разнообразные жизненные функции, связанные с дыханием, обменом и передвижением веществ, делением и размножением клеток. При средних температурах 20–25 С эти расходы органического вещества на свету и в темноте составляют приблизительно одну треть того, что первоначально запасается при фотосинтезе. Поэтому искомый коэффициент равен Жзап=1 – 0,333 = 0,667. Калорийность сухого вещества фитомассы находится в пределах 4,5 ± 0,5 ккал/г (Быков, Зеленский, 1982, с. 14–24). Рассмотренные величины позволят оценить потенциальную продуктивность (Ymax) растений в любом районе, где имеются данные о приходе солнечной радиации за выбранный промежуток времени (неделя, месяц, вегетационный период). Следует заметить, что показатель Ymax определяется как максимальный прирост сухой фитомассы за исследуемый период времени в расчете на единицу площади произрастания растений.

(16)

где у =10, коэффициент согласованности размерностей в правой и левой частях равенства (16).

По количеству солнечного тепла Приморье занимает одно из первых мест в нашей стране, не уступая даже таким территориям, как Крым и Черноморское побережье Кавказа. За год на территорию Приморья поступает солнечного тепла (110–115 ккал/см2). Наибольший приток солнечного тепла происходит зимой (8085 % от теоретически расчетного количества), потому что в это время отмечается наибольшее количество дней с безоблачным небом. Летом значительная пасмурность и туманы снижают приток прямой лучистой энергии и, наоборот, увеличивают долю рассеянной (которая в это время составляет 40–50 % от суммарной радиации). Общее количество солнечного тепла:

♦ во Владивостоке, окруженном со всех сторон морем, достигает 120 ккал/см2;

♦ в то время как в Санкт-Петербурге оно равно 82 ккал/см2;

♦ в Карадаге (Крым) – 124 ккал/см2;

♦ в Ташкенте – 134 ккал/см2.

За год на широте Приморья приход солнечной радиации равен 140–160 ккал/см2. Согласно оценкам Н. А. Ефимовой (1966, с. 7077), в муссонных областях Дальнего Востока ФАР уменьшается, по сравнению с другими районами, до 6 ккал/см2 в месяц. Примем эту величину равной 6-7ккал/см2 в месяц. Калорийность сухого вещества фитомассы по данным В. Лархер (1978, с. 133–134) следующая:

♦ листопадные растения (средняя из данных калорийности листьев, древесных стволов и корней) – 4,4 ккал/г;

♦ хвойных (хвоя и ствол) – 4,85 ккал/г.

Мы взяли для расчетов величину, равную 4,5 ккал/г. Тогда, в соответствии с формулой (16), имеем

Таким образом, при всех прочих оптимальных условиях, леса Приморья способны продуцировать максимально возможную фитомассу в абсолютно сухом измерении 216–252 ц/га в месяц. Если перевести эти величины в сырой вес (влажность 90–95 %), то цифра увеличится до 1971–4104 (при ФАР 6 ккал/см2) и 22684788 ц/га (при ФАР 7 ккал/см2) в месяц. Такой выход продукции в реальных условиях не достижим в силу того, что существуют объективные факторы, влияющие на снижение интенсивности продуцирования растений:

♦ не всегда оптимальная в кронах концентрация СО2;

♦ фактор влагообеспеченности растений;

♦ колебание ФАР (облачность и др.);

♦ неустойчивость температурного режима (сумма активных температур);

♦ эдафическиее условия (лимит NPK) и другие причины.

Примем за среднюю фитомассу леса величину из трех величин пород деревьев, исчисленную нами выше (хвойные, кедр, твердолиственные) – 889 ц/га. Видно, что максимально возможный урожай превышает ее в 2–5 раз. Способов увеличить продуктивность леса, как это практикуется в отношении сельскохозяйственных культур, нет. Поэтому ее величина была предопределена всей историей воспроизводства растений на этой широте. Исходя из этих данных, можно утверждать, что неразумные эксперименты с лесом чреваты серьезными последствиями для его дальнейшей судьбы. Пожары, вырубки и другие вмешательства в жизнь леса, исходя из не очень высокой его воспроизводительной способности быстро наращивать фитомассу, – очень опасны.

Эти факты специалистам известны.

Но можно поставить еще один вопрос: сколько кислорода выделил бы лес, если бы он произрастал на изъятой территории в 119 тыс. га? (Здесь мы округлили приведенную выше цифру.)

Проделаем ряд ориентировочных расчетов. По отношению к общей площади, занятой лесом, изъятая часть составит 0,011 (119 тыс. га/11373,4 тыс. га). Можно полагать, что запас леса должен составить на данной площади (округленно) около 2 млн м3 (0,011 1752,41 млн м3) или 11 108кг (2 106м3 540 кг/м3).

Допустим, что в условиях климата Приморья на площади 1 га леса выделялось бы 25–30 кг О2 в день. Тогда за вегетационный период с данной площади в атмосферу выделилось бы за день 119 0 00 (25 – 30) = 3 1 06 – 3,65 1 06кг О2.

Согласно литературным данным (Лархер, 1978, с. 64):

♦ листопадные растения поглощают за один час до 15–25 мг СО2 на 1 г сухого веса;

♦ хвойные деревья – 3-18 мг СО2.

В среднем по всем породам, растения поглощают 15, 4 мг СО2 на 1 г сухого их веса. Отсюда, за световой день, равный в летний период 15–16 часам исчисленная фитомасса (в сухом весе, принятой нами 5 % влажности) смогла бы связать примерно 8 108 л СО2, а за вегетационный период – 13 1010 л (8 108 150).

Таким образом, даже приблизительные оценки свидетельствует, что потери леса ведут к снижению их регулирующей роли газового состава атмосферы, причем потери этого процесса могут быть значительны.

Анализ данных по состоянию окружающей среды Приморья указывает на то, что она находится в измененном состоянии. Исходя из этого экологическая политика, формируемая по отношению к странам АТР, должна строиться с учетом данного факта. Какие здесь возможны подходы?

Прежде всего, это переход к (в перспективе) построению ноосферы. В обязательном порядке необходимо следовать тем рекомендациям, которые были обнародованы нашими учеными на международных конференциях в Стокгольме (1972) и Рио-де-Жанейро (1992).

Прежде чем перейти к освещению вопросов ноосферы, акцентируем внимание еще на одной проблеме, касающейся природных и живых систем, – это наличие у них волновых процессов.

11.1. Виды космических воздействий на земные процессы

Известно, что природные и экологические факторы, влияющие на динамику биосистем, представлены сложным набором параметров. В свою очередь, каждый из этих факторов (температура, влажность, количество осадков и т. д.) испытывает периодические колебания, вызванные другими причинами. Все это приводит к тому, что видовые биологические популяции формируют сложный спектр ответных на них реакций.

Каковы механизмы, приводящие к возникновению у популяций животных циклических колебаний их численности?

К основным космическим источникам, порождающим энергоинформационные потоки и оказывающим возмущающее воздействие на динамику природных явлений и биосистем, следует отнести активные процессы на Солнце, приливообразующие силы Луны и Солнца, а также расположение планет. Вкратце мы уже упоминали об этом выше. Рассмотрим здесь конкретную роль каждого источника, значимость того вклада, который они вносят в динамику земных процессов.

Совокупность процессов, обуславливающих обмен веществ, а также энергоинформационные потоки в природных и биологических системах объединяют абиотические и биотические компоненты среды в единое целое. Поэтому изменения, происходящие в природных явлениях, должны адекватно проявляться в динамике биосистем. В силу поливекторности и многофакторности их взаимодействий формируется разнообразие связей между явлениями и сложным спектром порождаемых ими ответных реакций.

Солнце влияет на планетарные процессы и биоту посредством гравитационных, энергетических и информационных воздействий. Его энергетическая роль в природных явлениях Земли и их изменениях, включая саму жизнь, изучена достаточно полно.

Например, солнечная радиация является основным источником энергии почти для всех природных процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере нашей планеты. Особенно велика роль фотосинтетической активной радиации (ФАР) в жизнедеятельности растений, которая, в конечном итоге, определяет будущий их урожай. Кроме энергетической, велика роль звезды как физического фактора, способствующего формированию приливных явлений на Земле.

Гравитационный эффект выражается в огромной массе светила, способной «дисциплинировать» движение 9 планет на своих орбитах.

Роль солнечной активности в динамике земных процессов детально исследована многими учеными

Основной вывод, вытекающий из результатов исследований, заключается в том, что в любых физических явлениях солнечная активность может играть роль внешнего генератора возмущений, выводящих их из устойчивого состояния. Например, с ростом солнечной активности происходит усиление потока вод на север в Фареро-Шетландском проливе (Максимов и др., 1970, с. 128). В Тихоокеанском регионе обнаружено влияние солнечной активности на режим Куросио. Характерно, что когда происходит спад солнечной активности, ось Куросио проходит вблизи южных берегов о. Хонсю и меандр почти не наблюдается, как это было в периоды 1955–1957 и 1967–1968 гг. (Покудов, 1978, с 149–156).

Предполагается, что солнечная активность определяет изменение погоды в среднем на 10–20 % (Багров и др., 1985, с. 52–53). И все же, несмотря на предпринятые многочисленные исследования, посвященные выяснению механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат, до настоящего времени не дан надежный ответ на вопрос: зависят ли погода и климат от солнечной активности? (Бялко, 1989, с. 238). Аргументация же большинства авторов в пользу сильной зависимости биосферы от уровня солнечной активности и вариаций земного магнитного поля пока, увы, не всегда выдерживает строгую критику (Бялко, 1983, с. 44). Ахиллесовой пятой в исследованиях влияния солнечной активности на погоду и климат остается до сих пор нерешенный вопрос о физическом механизме такого влияния (Лосев, 1985, с. 108).

Несмотря на противоречивость многих данных о влиянии солнечной активности на земные процессы, многие исследователи считают, что солнечная активность является основным генератором изменений многих природных и биосферных процессов на Земле. Современные публикации однозначно свидетельствуют об этом (Владимирский, 1997, с. 27; Чистяков, 1997, с. 8–137; Дергачев, 1998, с. 58–71; Friis-Christensen, Lassen, 1991, p. 698–700).

Вопрос влияния солнечной активности на земные процессы, в том числе и биоту, настолько стал общепризнанным фактом, что практически ни у кого не возникает сомнения в истинности этого утверждения. И все же, анализ литературных источников свидетельствует о неоднозначном толковании многими авторами механизма солнечной активности.

Б. М. Владимирский (1997, с. 26) считает, что «эффекты солнечной активности фиксируются в среде обитания, главным образом, в физических факторах, которые не учитываются в традиционной экологии. И еще, важнейшим фактором – посредником в солнечно-биосферных связях являются электромагнитные поля, в частности низких и сверхнизких частот. Это наиболее общий, универсальный посредник между активными процессами на Солнце и откликом на них в биосфере».

Анализируя причины несогласованности между числами Вольфа и некоторыми природными аномалиями, В. Ф. Чистяков (1997, с. 114) считает, что «неуверенность в выводах о причинах аномалии, скорее всего говорит о том, что связь аномалии погоды и явлений на Солнце в 1972 г. не фиксируется числами Вольфа».

По мнению В. А. Дергачева (1998, с. 58–71), «не число пятен, а длина цикла может быть мерой связи солнечной активности и климата. Чем короче цикл, тем выше температура. И есть глубокий физический смысл этой связи, связанный с мощностью процессов на Солнце». Эти и другие примеры косвенно подтверждают предупреждение С. А. Монина о том, что признание связи между погодой и колебаниями солнечной активности отдалило бы сроки создания научных методов прогнозирования погоды, т. к. в этом случае появилась бы необходимость давать сначала прогноз солнечной активности (цит. по: Мирошниченко, 1980, с. 55).

На основании изучения данных по изменению чисел Вольфа, Кр (индекс геомагнитной возмущенности) и ПС (продолжительности земных суток) Б. А. Слепцов-Шевлевич (1998, с. 68–73) пришел к выводу, что многолетние вариации ПС подчиняются вековым циклам солнечной активности и Кр. Это значит, что изменения скорости вращения Земли также обусловлены этими процессами. Исследуя влияния ротационного режима планеты на колебания уровня Атлантического океана, автор делает следующее предположение: «стоячая вековая волна уровня присуща всему Мировому океану, поскольку генетическая, гелиогеофизическая природа ее возникновения носит глобальный характер и связана с ротационным режимом Земли, обусловленным изменениями солнечной активности и геомагнитного поля».

К сожалению, и эти исследования не проливают свет на основной вопрос, каков же механизм воздействия солнечной активности на колебания уровня Мирового океана, а также другие природные явления. В последние годы был установлен важный факт (Чистяков, 1997(а), с. 41–42), что Солнцу присущи периодические изменения его радиуса (R) и солнечной постоянной (5с), которые увеличиваются в годы максимумов 11-летних циклов чисел Вольфа, солнечная активность имеет дискретный характер. Она годами держится на высоком уровне, а иногда, наоборот, прекращается совсем – эпоха минимума Маундера (1645–1715).

Проанализировав 53-летние наблюдения величины солнечного диаметра и положения солнечных пятен в течение минимума Маундера, французские ученые (Рибс, Бартело, 1988, с. 101–102) пришли к выводу, что существуют два связанных между собой 11летних цикла – магнитный и конвективный, которые протекают синфазно. При спаде солнечной активности в минимуме Маундера крупномасштабная конвекция в верхних слоях Солнца подавлена сильными магнитными полями, возникающими благодаря механизму солнечного динамо, что приводит к аномально малому количеству пятен. Сокращение конвективного потока может привести к изменению солнечного диаметра и падению эффективной поверхностной температуры. Этого достаточно для уменьшения светимости Солнца. В то же время имеется еще вывод о том, что анализ исторических данных не вполне однозначен. Используя данные о солнечном затмении за 1715 г., некоторые авторы считают, что в пределах статистических ошибок диаметр Солнца не отличался от современного. Поэтому вопрос о поведении светила во время минимума Маундера остается открытым (Рибс, Бартело, 1988, с. 101–102).

Велика роль звезды в формировании короткопериодных и, особенно, долгопериодных приливов, которые вместе с приливной силой Луны обуславливают ритмические пульсации океанических течений. Возникает вопрос, а являются ли планеты солнечной системы пассивными телами, «слепо» следующими за движением светила, или они также способны повлиять на его активность, а значит и на характер солнечно-земных связей? Совместное влияние планет на движение центра Солнца относительно центра масс Солнечной системы (Дружинин и др., 1974, с. 45–46; Мирошниченко, 1980, с. 43; Панкратов и др., 1996, с. 7–38; и др.) способно изменить его траекторию. Точнее, в результате их совместного притяжения центр Солнца периодически смещается относительно центра масс всей Солнечной системы на значительную величину. Хорошо проиллюстрирована траектория смещения центра Солнца, вызванная воздействием планет, в работе А. А. Токовинина (1986, с. 39–44). Как следует из приводимого автором рисунка, с 1980 по 2080 г. будут 17 раз иметь место смещения Солнца относительно центра масс. Ясно, что при своем движении Солнце развивает значительную кинетическую и потенциальную в точке максимального смещения энергию и, по-видимому, данный феномен в движении Солнца не может пройти бесследно для всей Солнечной системы, да и самой звезды. Это следует из анализа литературных источников, посвященных выяснению последствий солнечно-планетных взаимодействий (Панкратов и др., 1996, с. 738; и др.).

Предполагается (Мирошниченко, 1980, с. 43–45; Колесник, 2002, с. 1275–1282; и др.), что имеются два физических механизма, благодаря которым соединения планет могут отразиться на течении геофизических процессов.

Первый механизм связан с гравитационным воздействием планет на Солнце, второй – с воздействием планет на сверхзвуковой поток солнечного ветра и другие его энергетические характеристики.

Например, сближения планет (особенно парные) совершаются достаточно регулярно, и в настоящее время выделены следующие периоды из их взаимного расположения – 2; 3–4; 5–6; 7,8; 11,6; 12,6; 15,0; 17,0; 33 года и более. Нетрудно заметить, что искомые периоды обнаруживаются в колебаниях многих природных явлений и в компонентах биосферы. Действительно, биосистемы прошли свою эволюцию вместе с эволюцией всей планетной системы и по существу являются неотделимыми от нее. Уже этого факта достаточно для обоснования важной роли планет в формировании активных процессов на Солнце.

Еще более осложняет картину солнечно-земных взаимодействий многолетний лунный прилив, который приводит к формированию малых по скорости «астрономических течений». Вместе с тем, эти течения нельзя отождествлять с постоянными океаническими потоками, типа Гольфстрим и др. Появление их обусловлено существованием глобальной стоячей волны многолетнего лунного прилива, которая неизбежно приводит к представлению о наличии в области ее узлов соответствующих астрономических течений (Максимов и др., 1970, с. 84).

Кроме космических объектов, имеются и другие факторы, способные проявить себя в колебаниях атмосферной и океанической циркуляции, а также динамике биологических систем. Акцентируем внимание на тех, физический механизм которых прослеживается особенно четко: околополюсный прилив, изменение скорости вращения планеты и др.

11.2. Виды геофизических воздействий на природные процессы

Еще Эйлером было показано, что сжатие Земли является причиной возникновения колебаний мгновенной оси ее вращения (Максимов и др., 1970, с. 138–139) – нутации. Следствием данного феномена является изменение уровня Мирового океана, порождающего «полюсный прилив». Этот вид прилива не имеет никакого отношения к действию приливообразующих сил Луны и Солнца. Явление «полюсного прилива» связано с небольшими, но глобальными изменениями океанических течений и циркуляции атмосферы. Периодические колебания полюсного прилива способны увеличить или уменьшить скорость течения Гольфстрим, по оценкам Н. А. Багрова с соавторами (1985, с. 60–61), на 10–15 см/с, что по сравнению с эталонной, т. е. 100 см/с, представляет ощутимую величину.

Данный фактор способен вызвать значительные аномалии в изменении траекторий движения атмосферных струй (Рудяев, 1984, с. 120–126) и океанических течений, обуславливая их периодические, долгопериодные колебания.

Аналогичное (как и полюсный прилив) воздействие на атмосферно-океаническую циркуляцию оказывают вариации ротационного режима планеты. Согласно оценкам (Сидоренков, Свиренко, 1983, с. 20–24; 1991, с. 93–100; и др.), с l955 по 1972 гг. регистрировалось замедление скорости вращения Земли, достигшее к 1972 г. своего минимального значения, когда длительность суток увеличилась на 0,0025 сек. (Рябов, 1977, с. 161–162; и др.). В это же время повторяемость форм западной циркуляции (Ж-западная форма) уменьшилась, но возросло количество периодов с устойчивой формой меридиональной циркуляции, т. е. форм Е и С (Николаев, Колтанов, 1983, с. 14–18).

Долгопериодные изменения скорости вращения Земли приводят к перераспределению воздушных и водных масс Мирового океана от экваториальных областей к полярным, формируя в последнем случае области повышенного давления (Рудяев, 1984, с. 120–126). Явление смещения дополнительных масс воздуха и воды к высоким широтам способно углубить замедление вращения планеты

Изменения скорости вращения Земли приводят к периодическим сменам форм атмосферной циркуляции, что подтверждается и лабораторными экспериментами. Так, при увеличении угловой скорости сосуда до некоторой критической величины движение водной массы в нем нарушается и заменяется квазигоризонтальным движением, напоминающим режим Россби в умеренных широтах, т. е. меридиональная форма движения переходит в зональную (Витвицкий, 1980, с. 66–67).

Изменение ротационного режима Земли и порождаемые этим явлением периодические смены форм атмосферной циркуляции не проходят для многих природных явлений бесследно.

Следует отметить, что в период замедления вращения Земли (СВЗ) с 1955 по 1972 гг. активизируется циклоническая деятельность. Примером служат факты роста числа тайфунов, смещающихся в Тихий океан: от 19 случаев в 1959 г. до 39 в 1970 г. (Третьякова, 1975, с. 39–65). В Японии преобладало число случаев с необычно низкими среднемесячными значениями температур и осадков (Борисенко, 1982, с. 32–37). Однако для этого процесса не четко прослеживается механизм, вызывающий долгопериодные изменения СВЗ.

Приведем один из возможных сценариев

Как отмечалось выше, не до конца выяснен физический механизм, обусловливающий 18-летние (и более) колебания СВЗ. Имеются достоверно установленные факты, которые нельзя игнорировать, а именно: склонение Луны, равное в среднем 23 27' не остается постоянным, а изменяется от 28 35' до 18 19' (и обратно) в течение 18 лет с лишним (Максимов и др., 1970, с. 82–83). Аналогичный период обнаружен в колебании (нутация) земной оси фактора, оказывающего прямое влияние на нарушение ротационного режима планеты. Общепризнанно, что сезонные и короткопериодные колебания СВЗ возникают за счет воздействия особенностей атмосферной циркуляции (Сидоренков, 2004, с. 5–20), перераспределения масс воды (Куликов, 1985, с. 140–143) и т. д. Если считать нашу планету замкнутой системой, то полный момент ее импульса должен оставаться постоянным. Поэтому объяснить многолетние колебания СВЗ за счет влияния внутренних сил не представляется возможным. Согласно данным Н. С. Сидоренкова, «эти противоречия устраняются, если предположить, что существует третья причина, которая одновременно влияет и на процессы в земном ядре, и на процессы в климатической системе. Такой причиной может быть гравитационное взаимодействие Земли с Луной, Солнцем и планетами. В частности, как показал Ю. В. Баркин, притяжение Луной, Солнцем и планетами несферичных, неоднородных оболочек Земли, занимающих эксцентричные положения, приводит к относительным смещениям и колебаниям их центров масс, к вынужденным перемещениям масс. Весь комплекс возникающих при этом в земных оболочках явлений можно назвать для краткости обобщенными приливами» (2004, с. 5–20).

Приведем один из современных сценариев, объясняющий замедление СВЗ (Колесник, 2001, с. 52–56) и несколько уточненный позже (Колесник, 2006, с. 139–141).

Пусть в какой-то момент времени t происходит смещение склонения Луны по отношению к Земле в северном направлении.

Выразим в приближенной форме момент вращения (М ВР ) Земли или момент импульса (L) (Шебалин, 1981, с. 62–65).

#i_012.png (17)

где М З , г 2 и – соответственно масса, радиус Земли и ее угловая скорость. Выбрав за начало координат центр Земли и направив ось OX к центру Луны, определим центр масс Земля – Луна (X C ), как (Шебалин, 1981, с. 4546):

#i_013.png (18)

где Х С , М Л , М З и R – координаты центра масс, массы Луны и Земли и расстояние между ними.

Сопоставим формулы (17)и(18)по массе Земли, после ряда преобразований найдем уравнение изменения угловой скорости вращения планеты в зависимости от центра масс (Колесник, 2002):

#i_014.png (19)

где r 2 – радиус Земли и 0 – стационарная угловая скорость вращения Земли.

В формуле (19), в правой части равенства (в числителе) присутствует выражение, имеющее размерность кгм/с (аналог единицы мощности), а в знаменателе – кгм (аналог единицы работы) (Зельдович, 1968, с. 487488). Следовательно, при неизменном положении центра масс угловая скорость равна мощности, деленной на работу и имеющей размерность t - 1 . Однако при смещении склонения Луны между новым положением оси OX центр масс будет располагаться ближе к оси вращения Земли (в силу уменьшение радиуса Земли). Следовательно, угловая скорость вращения планеты должна уменьшиться. Пусть искомая закономерность имеет вид X 0 cos(ft), где ƒ – частота колебания центра масс (2П/18,6 = 0,33), t – время и Х 0 – расстояние от центра Земли до центра масс. Подействуем на оператором d/dt. Имеем:

#i_015.png (20)

где #i_016.png – угловая скорость вращения Земли.

Предположим, что момент внешних сил, воздействующих на вращение Земли, остается без возмущений. Решение (20) с использованием математического пакета Maple имеет вид (рис. 1):

Рис. 1. Изменение скорости вращения Земли за 18 лет

Расчеты подтверждают предположение о том, что угловая скорость вращения планеты не остается постоянной и для нее присущи, как и для многих других природных явлений, циклические колебания. Так как эти колебания порождаются внешними условиями (изменение склонения Луны, а, следовательно, и перераспределение пары сил Солнце-Луна и т. д.), то аналогичные колебания многих природных явлений (цикличность в океанологических и синоптических процессах, биоты) на Земле являются проявлением данных внешних сил – фактора, влияющего на вибрацию всей климатической и биотической систем нашей планеты. Естественно, что для полного понимания влияния Луны на СВЗ необходимо решать задачу с учетом обращений системы «Земля – Луна» около общего барицентра, а также нашего спутника вокруг Земли и т. д. Решение подобной задачи в общем виде имеет более сложную природу и требует отдельного анализа.

Подводя итог, необходимо подчеркнуть следующее.

1. Существует весьма обширная литература, где можно найти необходимые сведения о природе и периодичности колебаний многих явлений, показатели которых близки к космическим.

2. Описанные черты многолетней изменчивости атмосферных явлений и гидрологического режима не могут не сказаться на функционировании экосистем и в конечном счете на воспроизводстве биоресурсов каждого региона, а значит и на их приспособительных (внутрипопуляционных), экосистемных перестройках. Это выводит исследования проблемы на новый, более актуальный уровень.

3. Узловыми вопросами солнечно-земных связей следует считать поиски механизмов, порождающих солнечную активность, а также способов воспроизведения ее сигналов (сообщений) природными явлениями, совпадающих с ходом чисел Вольфа или индексов Кр и др.

11.3. Реакции биоты на гелиогеофизическое воздействие

К настоящему времени специалистами проведен достаточно подробный анализ имеющихся материалов о действии различных факторов на колебание численности популяций животных, фитомассы трав и сельскохозяйственных культур.

Согласно опубликованным данным, среди экологов нет пока единого мнения о природе многолетних циклических колебаний биоресурсов, а также о той роли, которую играют гелиогеофизические факторы в формировании этого явления. И это понятно, ибо с начала исследования цикличности закономерно возник вопрос: генерируются ли волны жизни самими популяциями и особенностями взаимодействия их друг с другом, представляющим тем самым автоколебательные системы, или они, волны, являются следствием влияния импульсов, постоянно поступающих из внешней среды.

По существу, речь идет об эндогенности и экзогенности популяционных циклов.

Так, например, имеется мнение (Уатт, 1971, с. 96–98), что у нестабильных (флуктуирующих популяций) видов рыб (калифорнийская сардина, анчоус и др.) изменение численности обусловлено в основном внешними факторами, а для высокоустойчивых видов (камбала Северного моря и др.) внешние факторы играют второстепенную роль в их многолетних колебаниях численности. На основании анализа многочисленной литературы Г. В. Никольский (1974, с. 293–307) пришел к выводу, что влияние погодных и других внешних условий на состояние численности популяций рыб реализуется в изменении условий воспроизводства и обеспеченности пищей особей, что, в свою очередь, предопределяет увеличение выживаемости поколений, особенно на ранних стадиях роста. Следует заметить, что механизм формирования многолетних изменений численности популяций животных сложен и крайне неопределен. Поэтому были предприняты попытки отыскания универсального генератора цикличности биоресурсов – солнечной активности.

Имеется мнение (Юзбашев и др., 1982, с. 56–64), что солнечная активность влияет, например, не на процесс прогрессивного повышения урожайности сельскохозяйственных культур и других видов биоресурсов, а только на ее колебания, т. е. на отклонения урожайности от главной тенденции. Этот же автор выдвинул ряд предпосылок влияния СА на растения. Например, воздействие СА на растения может быть прямым – за счет излучения на само растение, и косвенным – через влияние на атмосферную циркуляцию и микробиологические процессы в почве. В годы минимума на Солнце становится меньше активных очагов, но их воздействие на биосферу Земли повышается, благодаря смещению очагов к солнечному экватору, что обеспечивает наилучшие условия проникновения корпускулярных потоков в глубь атмосферы Земли.

Как считают А. Д. Данилов и С. И. Авдюшин, «прямых механизмов воздействия СА на здоровье людей не видно, а влияние погоды ощущает каждый» (1993, с. 18–21). Выявлена связь между изменением численности добываемых соболей с темной и светлой окраской за 200 лет и изменениями солнечной активности. Значит, если СА способствует созданию наиболее благоприятных условий для одних видов животных и неблагоприятных для других видов, и при этом происходит резкое увеличение их численности, то как следствие данного процесса должны наблюдаться и перестройки генофонда популяции. Основания для данного вывода имеются.

Так, например, А. В. Яблоков считает, что популяционные волны совершенно случайно, но резко меняют набор мутаций и их концентрацию в популяциях (1980, с. 14–15). В этом смысле популяционные волны (часть мутаций случайно исчезает из популяций, а некоторые могут повышать концентрацию) являются поставщиком эволюционного материала под действием относительно интенсивного отбора. В соответствии с этим утверждением можно предположить, что циклические колебания численности популяций животных и фитомассы трав и т. д. являются не артефактами наблюдений, а биологической закономерностью. Она важна для популяций тем, что они (популяции) имеют лучшие шансы для выработки особями приспособительных механизмов (и, возможно, закрепленных в будущем генотипом) к постоянно меняющимся условиям среды, а значит и способность сопротивляться давлению среды. На основе внутрипопуляционной разно-качественности начинаются процессы отбора, ведущие к перестройке наиболее генерализованных качеств популяции в соответствии с изменившимися средними условиями ее жизни.

По мнению И. А. Шилова (1985, с. 254–258), гомеостатические механизмы популяционного уровня лежат в основе того, что в относительно стабильных условиях популяция функционирует как устойчивая форма существования вида, а в условиях направленного изменения среды представляет собой исходную единицу эволюционного процесса. Имеются все основания считать, что доведение популяционных показателей до максимума для популяций является более выгодным и экономичным фактором, чем постоянное поддерживание их на высоком уровне. Отсюда следует, что за каждым подъемом численности должен следовать ее спад для восстановления и подготовки необходимых условий к новой вспышке популяции.

Можно предложить еще один внутрипопуляционный механизм цикличности биоресурсов, когда в популяции животных происходит периодическое накопление избыточного количества неиммунных особей к определенным видам микроорганизмов. При создании благоприятных условий (сочетание температуры воздуха и влажности и других параметров среды) активизируется очаг инфекции и особи, не имеющие иммунитета, в первую очередь элиминируют. Так как этот механизм выработан эволюционно, то количество погибших особей колеблется в определенных пределах – для котиков, например, от 3–9 до 25 % (Колесник, Тимофеева, 1982, с. 163–165).

Исследуя механизмы динамики мелких млекопитающих, О. А. Жигальский (1989, с. 35–36) пришел к выводу: чем больше совпадает период изменений условий существования с периодом внутрипопуляционных колебаний и чем больше выражена цикличность внешних условий, тем выше согласованность и упорядоченность популяционных процессов, что позволяет популяции с максимально возможной скоростью реагировать на изменение внешних условий. Внешние факторы, по мнению данного автора, определяют верхний предел оптимального для данных условий уровня плотности. Функция внутрипопуляционных механизмов – приведение численности и структуры популяций к уровню, адекватному условиям среды.

Известно, что в период наибольшего замедления вращения Земли в 1972 г. на большей части европейской территории СССР разразилась жесткая засуха. В центральных областях Поволжья в этот период по 50–80 дней не выпало ни капли дождя (Мирошниченко, 1981, с. 60–61).

Значит, отмеченные в 1972 г. аномальные погодные условия должны были сказаться на урожайности трав и на животных, питающихся растительным кормом, и других видах, связанных трофическими взаимоотношениями, самым негативным образом. Все это дает право признать за экологическими факторами одну из ведущих ролей в колебании численности популяций и в регуляции их обилия (Гуляева, 1982, с. 179–180).

Н. В. Гулинова (1982, с. 87–88) отмечает, что урожайность естественных сенокосов в значительной мере определяется метеорологическими условиями, а в динамике урожайности сена многолетних трав (Алтайский край и Новосибирская область) прослеживается двухлетняя цикличность, которая обусловлена двухлетней цикличностью погодных условий.

Аналогичные периоды в урожайности трав лугов Сахалина найдены и нами (Колесник, 1994, с. 214–217).

Причины колебания численности наземных популяций животных многообразны. Те виды, основу жизни которых составляет растительная пища, в значительной мере зависят от засух и других аномальных явлений природы, приводящих к периодическим подъемам и спадам урожайности кормовых угодий. Так, например, значительное сокращение численности водяной полевко было вызвано засухами, зарегистрированными в некоторых районах Сибири в 1962 г. (момент размножения грызунов – май месяц) (Пантелеев, 1968, с. 150–200). Засуха – это, пожалуй, самое крупномасштабное и, поэтому, самое убедительное проявление климатических изменений, происходящих на Земле. Именно засуха или крайне неблагоприятные годы во многом способствуют резкому снижению фитомассы растительности лугов, болот, пойм и т. д. Чаще всего засуха возникает в период доминирования меридиональной формы атмосферной циркуляции, и это понятно, ибо в это время сумма дней с вторжением воздуха из Арктики существенно превышает средние значения. Происходит понижение температуры и выпадает меньшее количество осадков, т. к. арктический воздух содержит меньше влаги (Лосев, 1985, с. 114–115).

Более чем 20-летнее слежение за симпатрическими популяциями 11 видов грызунов из Барбары (Новосибирская обл.) дало материал для заключения о том, что природные популяции грызунов испытывают колебания численности, близкие геофизическим циклам (атмосферная циркуляция, осадки и т. д.). Здесь же выявлены 2-, 3-, 7– и 11-летние колебания их численности (Ердаков, 1990, с. 214–215). Интересно, что, по мнению автора данной работы, эндогенность многолетней популяционной цикличности не имеет таких строгих доказательств, как в случае циркадных ритмов. Тем не менее, внутрипопуляционные механизмы динамики численности предполагаются большинством исследователей (Ердаков, 1990, с. 214–215).

Многочисленные исследования были проведены по изучению причин межгодовой изменчивости численности морских рыб и других видов гидробионтов. Как показал анализ литературных данных, а также результаты наших собственных вычислений, получить однозначный ответ на причину цикличности водных растений и животных крайне затруднительно. Несмотря на то что водная среда для рыб более стабильна, сложна чем, например, наземно-воздушная, многим популяциям присущи многолетние колебания численности. Причем периоды появления гребней и ложбин в вариационных рядах близки к наземным популяциям. Изменение направления оси океанических течений, типа Гольфстрим или Куросио, флуктуации в этой связи биопродуктивных зон для питания рыб, перераспределение скоплений во временно-пространственном аспектах, а значит, и их миграционных путей – все это не может не сказаться на воспроизводстве популяций гидробионтов. Совпадение многих периодов колебаний природных явлений, наземных и морских видов биоресурсов свидетельствует о наличии какого-то единого генератора колебаний. Многие исследователи склонны придавать солнечной активности ведущую роль в формировании циклических колебаний рыб.

Следует предположить, что земные явления мало влияют на колебание космических процессов, и последний фактор воздействует на весь комплекс земных процессов однонаправленно. Но степень этого воздействия на живые системы может быть неоднозначной. Известно, что годовые колебания численности резче выражены у форм с коротким жизненным циклом, чем у поздно созревающих рыб. Рыбы, у которых не обнаруживаются значительные колебания урожайности, характеризуются более стабильными условиями нагула и довольно постоянной величиной кормового ареала (Никольский, 1974, с. 208–307). К сказанному следует еще добавить, что периодические колебания численности и биомассы стад рыб, определяемые общеклиматическими причинами, часто могут сглаживаться и меняться под влиянием действия местных факторов. Поэтому совместное воздействие на воспроизводство популяций космических, природных и внутрипопуляционных факторов вызывает у последних ряд новых, эмерджентных, свойств их динамики, которые затруднительно интерпретировать, если к анализу материалов подойти с позиций монофакторного, а не многофакторного осмысления. Возможно, что этим феноменом обуславливается явная пестрота гипотез и оценок в объяснениях влияния факторов среды на формирование многолетних колебаний численности видовых популяций, приводимых авторами в своих работах (Шунтов и др., 1993, с. 350–351; и др.). В данном случае можно согласиться с Р. Риклефсом (1979, с. 245–246), что попытки расчленить циклы колебаний мелких млекопитающих (леммингов и других видов) на отдельные звенья путем полевых и экспериментальных наблюдений оказались безуспешными. Например, снижение численности леммингов в зимнее время определялось хищниками, а летом – другими причинами. Имеется утверждение (Чернявский, 1982, с. 325–326), что внешние факторы представляют важный элемент регуляции численности арктических грызунов.

Сложность выявления закономерности по проблеме цикличности обусловлена тем, что многие процессы, воздействующие на популяцию как систему, имеют нелинейный характер. Следовательно, для этого класса систем, т. е. популяций, неприменим принцип суперпозиции, суть которого сводится к следующему: результат одновременного воздействия нескольких факторов на популяции (их численность) неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности (Самарский, 1989, с. 9–28). Это очень сильное утверждение, ибо, если данный принцип применим в отношении популяций, сообществ и т. д., то становится понятной невозможность отыскания одного, локального, фактора, ответственного за формирование многолетних колебаний биоресурсов. Можно полностью согласиться с мнением Д. Ф. Оуэна, утверждающего, что «в конце концов, является ли климат важным и даже более важным, чем строго биологические факторы, вызывающие смертность в зависимости от плотности в формировании колебаний численности, – все это пока предположения. Еще, конечно, не все выяснено, и глупо быть догматиком, полностью принимая или отвергая любую из всех этих соперничающих теорий» (1984, с. 82–83).

Существует еще один вопрос в проблеме цикличности, который требует своего разрешения, – физическая интерпретация кривых вариационных рядов наблюдений. Это принципиальный вопрос, ибо, если считать, что искомые кривые есть не что иное, как «белый» или «красный» шумы, то теряет всякий смысл проведения исследований по проблеме цикличности. Для такого утверждения есть серьезные основания.

Имеется следующее мнение: «Как бы случайно ни бросать точки на плоскость, при их соединении плавной кривой всегда обнаружится некоторое, кажущееся подобие периодичности, которое при желании можно выдать за цикл. Широкий диапазон эмпирически обнаруженных циклонесущих частот показывает их приблизительно равномерное распределение по всем периодам, что свидетельствует о шумовом характере анализируемых процессов» (Поляк, 1989, с. 74–77).

Аналогичного мнения придерживается А. В. Бялко (1994, с. 45–48), который считает, что большие амплитуды долгопериодных флуктуаций природных процессов позволяют найти частичное подтверждение любой периодичности (в этом и состоит коварство красного шума). К счастью, практика подтверждает обратное, т. е. какие бы мы ни рассматривали природные явления (речной сток, атмосферная циркуляция, миграция оси океанических течений и т. д.), они, находясь в разных географических зонах Земли, имеют в своем проявлении такие же периоды колебаний показателей, как и биоресурсы. Это свидетельствует о решающем вкладе космических и геофизических планетарных факторов в формирование отмеченных периодов, т. е. 2,3,4 и более лет. Мощные засухи и, как следствие, спад урожайности кормовых угодий, проловы рыбопромысловых флотилий, резкое снижение численности пушных зверей – эти явления (периодически повторяющиеся) не могут быть объяснены за счет артефактов природы, т. е. белого или красного шумов. Ответ на эти вопросы надо искать на стыке углубленных физико-биологических исследований.

Л. И. Мирошниченко выяснено (1981, с. 120–127), что если, например, совпадают периоды ритмов с частотной структурой изменений во внешней среде, то это определенно указывает на наличие синхронизации. Доказательством наличия синхронизации являются высокие коэффициенты связи корреляции между сравниваемыми колеблющимися явлениями. Но при неполном совпадении (по близости) регистрируемых периодов могут возникнуть биения, которые чаще всего и обнаруживаются в рядах динамики биоресурсов. Так, например, на кривых волн жизни можно выявить одновременное присутствие двух периодов с изменяющимися амплитудами, постоянными смещениями фаз относительно фазы вынуждающей силы. Если учесть, что многие колебания формируются за счет захвата частоты (Владимирский, 1982, с. 166–174) или принудительной синхронизации, то уместен вопрос о применимости теории случайных процессов к анализу имеющихся по биоресурсам временных рядов. По мнению Л. И. Мирошниченко (1981, с. 166–174), гипотеза о принудительной синхронизации позволяет объяснить солнечной активностью географическую изменчивость колебания многих природных явлений. Эта гипотеза служит хорошим инструментом для анализа причин несопоставимости и неоднозначности (невоспроизводимости) некоторых статистических результатов по гелиобиологическим связям – факта, давшего повод для сомнений в реальности таких связей.

Можно предположить, что роль СА и других космических и планетарных факторов, формирующих многолетнюю цикличность природных явлений, в том числе и биоресурсов, не сводится к прямому их влиянию на эти процессы (воспроизводство численности популяций и т. д.). Упомянутые факторы модулируют более высокоэнергетические связи других явлений, которые уже прямо (температура воздуха и почвы, влажность и т. д.) влияют на воспроизводство растительных ресурсов, а далее, по линии трофических взаимоотношений. Все это сказывается и на состоянии численности популяций животных, которые развиваются по собственным законам, выйдя из стационарного состояния. Результатом внутри– и межвидовых взаимодействий флуктуирующего ансамбля будут порождаемые им волны, на амплитуду и частоту которых оказывают свое влияние другие факторы земного происхождения.

Мы так подробно остановились на анализе сложных циклических колебаний многих природных и биологических систем не случайно. Дело в том, что вся околоземная среда, включая и биосферу, пронизана ритмами той или иной величины. В сочетании с негативным влиянием человека на биосферу имеется дополнительный фактор, усиливающий глубину разрушительного воздействия человека на биосферу. Это надо учитывать при планировании тех или иных мероприятий, касающихся эксплуатации компонентов биосферы.

Как свидетельствуют результаты исследований, наличие у природных и биологических систем квазипериодических колебаний, их уровней должно учитываться при разработке мероприятий по оптимальному использованию биоресурсов. Игнорирование же искомого феномена может привести к тому, что при совпадении, например, планируемого увеличения изъятия ресурса и начала спада численности популяции ее состояние можно перевести к депрессивному (со всеми вытекающими для биоресурса последствиями).

Поэтому эффективная экологическая политика сотрудничества предпринимателей с другими заинтересованными лицами из стран АТР – это получение оптимальной добычи ресурса, с минимальными затратами сил и средств и, что самое важное, – это сохранение воспроизводительной способности популяции. В этом видится суть экологической политики с нашей стороны.

12.1. Постановка вопроса

Имеются все основания считать, что I в. станет веком перехода человечества к новым формам своего социально-экономического развития, контуры которого уже начали проявляться. Это начало перехода от постиндустриальной эпохи к постчеловеческой эре. Быстрое освоение новых наработок ученых – био-, кибер-, нанотехнологий, фармакологии, исследований космического пространства, вместе с современной финансово-экономической системой создает риск того, что XXI в. станет последним веком существования человечества. К такому выводу пришла очередная IX Оксфордская конференция, обсудившая в 2004 г. тему «Будущее человечества».

Важно, что Запад, наконец, осознал то, о чем многие ученые (в основном российские) давно уже предупреждали, – реальной угрозе уничтожения окружающей среды (экологической катастрофе).

Согласно расчетам, выполненным зарубежными и нашими учеными, а также результатам проверки их на моделях биоты, был вынесен единый вердикт – в биосфере происходят опасные для сохранения окружающей среды процессы. В первую очередь, они связаны с нарушением механизмов биологической регуляции природной среды. Следовательно, в третьем тысячелетии биосфера планеты может превратиться в зону экологического бедствия, что является прямой угрозой для существования человечества как биологического вида. Вследствие повсеместного чудовищного роста числа врожденных уродств, увеличения количества умственно неполноценных детей, тотального распространения иммунодефицитных состояний, стремительного роста онкологических, эндокринных и других заболеваний, наркотизации молодежи, алкоголизма и т. д. в ближайшие 20–30 лет во многих странах, в которых уже происходят подобные процессы (Россия в их числе), деградация населения может стать необратимой. Овладев источниками энергии, сравнимыми с экзогенными (природными), человек уже в XX в. нанес биосфере такой ущерб, который превосходит всю предыдущую историю ее существования.

Какие факты свидетельствуют о начале разрушительных процессов в биосфере?

Это, прежде всего, изменение химических параметров среды нашего обитания, увеличение двуокиси углерода в атмосфере. Как следствие, начало формирования парникового эффекта, рост выбросов в атмосферу других газов, отрицательно влияющих на газовый состав атмосферы и разрушение озонового экрана и т. д.

Результаты разрушительных воздействий человека не замедлили сказаться на биосфере планеты – единственный механизм поддержания пригодных для жизни условий потерял былую устойчивость. Доказательством этому является факт нарушения принципа Ле Шателье в современной биосфере, выявленный в процессе исследования В. Г. Горшковым с соавт. (1990, с. 7–9). Точнее – нарушение этого принципа засвидетельствовало, что процесс, обеспечивающий поддержание постоянства оптимальных условий существования самой биосферы и окружающей среды, стал научным фактом, который предприниматели всех уровней, государственные деятели, общественность стран и т. д. не могут игнорировать. В противном случае приговор один – гибель цивилизации. Другими словами – негативные изменения в биосфере достигли своего критического уровня.

В настоящее время во всех пробах воды, земли и воздуха, на всех континентах, в любой точке земного шара обнаруживаются канцерогенные вещества, способствующие онкологическим заболеваниям. Следует заметить, что для ряда веществ, канцерогенных, радиоактивных и др., практически невозможно установить ПДК.

«Сегодня человечество впервые в своей истории достигло пределов свободы материально преобразующей деятельности в Природе, столкнулось с абсолютными ограничениями бытия общества» (Ю. В. Олейников, цит. по: Ханжин, 2006).

Вторая опасность, которая грозит гибелью человечества – это демографическая.

Что имеется ввиду?

В настоящее время на планете проживает 6,5 млрд людей. Ежегодный прирост населения земного шара до недавнего времени составлял 80–85 млн. Динамика роста численности населения Земли за последние годы следующая: в 1950 г. – 2501 млн, в 1970–3610 млн, в 1980–4415 млн, в 2005–6500 млн.

Из приведенных цифр видно, что увеличение численности населения планеты происходит по закону экспоненты. Экологический анализ данной закономерности свидетельствует, что подобный процесс для нормального существования популяции чреват опасными последствиями. В силу должны вступить ограничивающие факторы. Вопрос – какие?

За одно последнее столетие на планете людей стало в три раза больше, чем за всю предшествующую историю человечества.

И еще. Рост человеческой популяции препятствует экономическому развитию общества (Свердлов Е. Д., 2004, с. 802–805), причем этот процесс происходит в основном за счет бедных, слаборазвитых стран, и белое население планеты интенсивно замещается цветным населением.

Таким образом, демографический взрыв людей на Земле следует считать основной глобальной проблемой человечества, за которой уже следуют остальные, в том числе антропогенные изменения окружающей среды и возможное исчерпание нефти, угля, газа, леса и других возобновляемых и невозобновляемых ресурсов. Факты свидетельствуют, что уничтожение первичных продуцентов идет параллельно с ростом населения Земли. Получается диспаритет в сосуществовании двух биологических систем – биоты и цивилизации.

Так, ежеминутно население планеты увеличивается на 150–170 человек, а в это же время исчезает с лица Земли 11 га леса, 10 га сельскохозяйственных угодий и один биологический вид. По мнению ряда экспертов, в биосферном сообществе они теряются безвозвратно, причем через 50 лет, а возможно и раньше, в биосфере можно ожидать таких изменений, которые будут уже необратимыми.

Самое страшное, что может ожидать людей, это возврат периодов голода. По мнению академика РАН К. Я. Кондратьева, XXI в. будет «веком голода».

Главная проблема XXI в. – грядущий дефицит продовольствия. Прежде всего, животного белка.

Возможности суши в значительной степени уже исчерпаны. Стремительно размножающееся население Земли вынуждено обратиться к последнему резервуару животного белка – к Мировому океану. Так «распорядилась» Природа, что большая часть Мирового океана – пустыня. Только 7 % шельфовой зоны Мирового океана способны воспроизводить 80 % морепродуктов. Но на этой территории как раз очень сильно развито судоходство и ведутся другие работы, связанные с добычей нефти и полезных ископаемых, которые усиливают риск уничтожения существующих там морских экосистем.

В целом можно констатировать очевидный факт: налицо «глобальный кризис земной цивилизации», о котором предупреждал Н. Н. Моисеев. Отметим, что человечество уже давно предупреждено о результатах своей деятельности:

«Люди погибнут от неумения пользоваться силами Природы и от незнания истинного мира», – написано на стене в пирамиде Хеопса.

«Человеку суждено истребить себя, после того как он сделает Землю непригодной для обитания», – сказал 200 лет назад Жан Батист Ламарк.

«Стихийно развивающаяся цивилизация оставляет после себя пустыню», – вторит им К. Маркс.

Конференция в Рио-де-Жанейро по окружающей среде и развитию еще в 1992 г. фактически подписала смертный приговор рыночным методам экономики: при широком их использовании ни Природа, ни человечество просто не выдержат.

Сегодня сама Природа (под угрозой гибели) диктует человечеству необходимость замены существующей рыночной экономики на экономику как физиологию, т. е. как гармонию движения потоков веществ и информации в системе «Человек – Природа» с общественной собственностью на землю, природные ресурсы, финансовую, промышленную и сельскохозяйственную сферы, с плановым хозяйствованием, гарантирующим будущее и направленным на социальную справедливость. Но она уже была у нас? Как показал примерно 40-45-летний социальный эксперимент (построение социализма и возможного коммунизма), общественная собственность на средства производства и другие блага цивилизации оказалась малоэффективной. Постоянный дефицит товаров, отсутствие стимулов к внедрению в экономику результатов научно-технического прогресса и другие моменты привели к тому, что большинство людей не восприняло эту модель развития общества.

Но где же выход для человечества?

Действительно ли нет альтернативы, и единственный способ избежать катастрофы – это развязывание войн?

Значит ли это, что ограничивающим фактором должно стать уничтожение части населения Земли?

Получается, что вместо того чтобы совместно, равноправно всеми странами по справедливости и радикально решать вставшие перед миром социально-экологические проблемы, современная глобализированная экономика позволяет тем, кто истощил свои ресурсы, эксплуатировать всю планету методами, которые по форме выглядят как экономические (эквивалентный обмен, свобода предпринимательства, свободный рынок и т. п.), а по сути дела не являются таковыми. Здесь четко прослеживается нарушение принципа согласованного оптимума.

Известные зарубежные экономисты, например лауреат Нобелевской премии Ян Тинберген, признавая, что многообразные кризисы, поразившие Запад (а теперь уже и весь мир), вызваны существующей там экономической системой, тем не менее видят выход в конструировании «нового мирового порядка» с переходом от межгосударственного к межотраслевому взаимодействию, с существенным ограничением существующего в настоящее время национального суверенитета стран мира над своими территориями и природными ресурсами. Возможен ли такой вариант выхода из кризиса – покажет будущее, но проектируемый и строящийся глобализм способен существенно изменить устойчивое сотрудничество между государствами и привести к таким потрясениям, которые трудно даже прогнозировать.

Знаменательное высказывание. Сегодня главный враг открытого общества уже не «коммунистическая, но капиталистическая угроза», – предупреждает всемирно известный практик современной финансово-экономической системы Дж. Сорос. Экономический рост стал выступать как дестабилизирующий фактор не только окружающей среды, но и общества людей. Современная финансово-экономическая система превратилась в фактор «самопожирания» общества.

Глобализация мира ускоряется, и успехи в охране окружающей среды, достигнутые благодаря новым технологиям и политике, сводятся на нет темпами и масштабами роста народонаселения и экономического развития.

Предваряя Всемирный саммит по устойчивому развитию («Рио + 10»), который состоялся 2-11 сентября 2002 г., прошла конференция на тему: «Вызовы изменяющейся Земли» (Амстердам, июль 2001 г.), где была принята декларация, в которой центральным стало следующее содержание:

1) Земля – это единая саморегулирующаяся функциональная система;

2) человеческая деятельность сравнима с великими силами Природы;

3) глобальные изменения не поддаются объяснению в рамках простой парадигмы «причина – следствие».

До сих пор нет научной базы для оценок и принятия решений. Печально, что мировое научное сообщество продолжает игнорировать работы наших отечественных ученых по глобальным экологическим проблемам. Эти работы дают возможность понять причины и указать пути выхода из жестокого экологического кризиса планетарной биосферы. Прежде всего, это работы профессора В. Г. Горшкова по концепции биотической регуляции и устойчивости биосферы, разработки В. И. Вернадского и др., в частности, смешанная, да и проективная экономика, которая хорошо зарекомендовала свою эффективность в таких странах, как Китай, Вьетнам, Беларусь и другие государства.

Главная опасность изменений природных и биологических процессов заключается еще и в том, что вследствие человеческой деятельности система «Земля» способна перейти в альтернативный режим функционирования, который может оказаться непредсказуем для существования различных форм жизни. При этом, как показали палеоклиматические исследования, изменения, например, среднегодовой температуры, в некоторых регионах могут достигать 1 °C за период около 10 лет и менее; масштабы и темпы происходящих экологических изменений беспрецедентны. За вторую половину XX в. население планеты увеличилось на 3,5 млрд человек, т. е. увеличилось вдвое. Сокращается биоразнообразие экосистем, трансформировано почти 50 % суши. Человечество использует более половины всей доступной пресной воды, особенно быстро истощаются ресурсы грунтовых вод. 22 % регионов морского рыболовства переэксплуатируется, а 44 % – на пределе возможности возобновления ресурсов (Ханжин, 2006, с. 4–6).

12.2. Что делать?

Впервые в мире научное обоснование условий устойчивости окружающей среды и необходимости сохранения природного естества дано профессором В. Г. Горшковым в его концепции биотической регуляции и устойчивости биосферы.

Какие же предложения следуют из проведенных им исследований? Как сохранить на Земле и человечество и саму жизнь?

1. Следует сохранить природу (экосистему) той земли, которая еще не затронута хозяйственной деятельностью. За нарушение этого требования следует карать, как за разбой. Настала наша очередь защитить Землю, которая до сих пор заботливо защищала нас.

2. Для возвращения к стабильной окружающей среде необходимо сократить площадь используемых человечеством территорий до 31 % освоенной суши (Арски Ю. М. и др., 1997, с. 331).

3. Огромна роль в рефляции земного климата больших, почти не затронутых деятельностью человека бореальных лесов. Это золотой экологический фонд человечества. Ничего нет более ценного для сохранения и поддержания экологического равновесия на Земле, чем российские экосистемы, ответственность за которые должна быть разделена с другими странами. Они (прежде всего западные страны) для этого обязаны сделать вклад для малых российских народов, проживающих на территориях, вклад, равный той прибыли, что можно было бы получить при техническом освоении этих территорий, которые, мы повторим это, необходимо сохранить от западных и доморощенных энтузиастов освоения. Россия – это, прежде всего, заповедная зона планеты, в противном случае жизни на Земле не быть.

4. Экологический кризис развивается даже быстрее, чем предсказывалось в самых пессимистических прогнозах, но этот факт по каким-то причинам слабо обсуждается в обществе. Дальнейшее существование человечества может быть поставлено под сомнение уже в 2050–2080 гг. Самым страшным в современной ситуации является то, что свыше 95 % населения мира, включая его политическую элиту, не понимают последствий тотальной экокатастрофы для себя и своих потомков и не задумываются о путях выхода из кризиса.

Тем, кто не интересуется экологическими проблемами, следует все же знать следующее.

1. Практическое спасение природы, восстановление ее устойчивости и наше долгосрочное материальное и духовное благополучие возможны лишь при условии, если 1/3 территории страны (области, штата) будет отведена под заповедники, где запрещена любая хозяйственная деятельность (это же является условием сохранения видового многообразия); 1/3 территории отдана под зону отдыха (национальные парки, охотхозяйства и т. п.); и лишь 1/3 территории может быть использована для ведения сельского хозяйства, промышленного и гражданского строительства. Безболезненно соблюсти эти требования возможно только в России, Бразилии и Канаде.

2. Если не остановить количественный рост промышленности (отнюдь не качественный) и энергетики, не сократить химическое индустриальное производство, если не прекратить поступление в окружающую среду любых веществ неприродного происхождения, если немедленно не приступить к восстановлению экосистем страны в соответствии с эталоном заповедника конкретной природно-географической зоны, если не отказаться от утопии перевода всего населения планеты на стандарты и образ жизни высокоразвитых стран, которые лишь до поры паразитируют на природных ресурсах других стран; если не поддерживать традиционные, проверенные тысячелетним опытом национально устойчивые способы взаимодействия человека с природой, то человечество как биологический вид вряд ли останется жить после 2030 г. – деградация его здоровья может стать необратимой.

3. XXI в. – это век голода, век экологических, техногенных и социальных катастроф, век борьбы за водные ресурсы. Мы знаем причины и методы спасения от этих напастей, почему же наши правители так жаждут вселенской смерти? А может быть, они уже давно и не управляют? Какой же должен быть выход из этой опасной ситуации?

Мы уже не раз отмечали, что выход есть. Он заключается в переходе к построению ноосферы, основные черты которой были разработаны В. И. Вернадским.

В чем ее суть и как видится конкретный выход, мы рассмотрим в следующем разделе.

12.3. Выход из кризиса – переход к ноосфере

Центральной темой учения о ноосфере является единство биосферы и человечества. В. И. Вернадский в своих работах раскрывает корни этого единства, значение организованности биосферы в развитии человечества. Это позволяет понять место и роль исторического развития человечества в эволюции биосферы, закономерности ее перехода в ноосферу.

Одной из ключевых идей, лежащих в основе его теории о ноосфере, является то, что человек не является самодостаточным существом, живущим отдельно и по своим законам. Он сосуществует внутри природы и является частью ее. Это единство обусловлено, прежде всего, функциональной неразрывностью окружающей среды и человека, которую пытался показать Вернадский как биогеохимик. Человечество само по себе есть природное явление, и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на среде жизни, но и на образе мысли.

Но не только природа оказывает влияние на человека, существует и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже. Это доказывает тот факт, что в последнее время заметно активизировались планетарные геологические силы:

«…Мы все больше и ярче видим в действии окружающие нас геологические силы. Это совпало, едва ли случайно, с проникновением в научное сознание убеждения о геологическом значении Homo sapiens, с выявлением нового состояния биосферы – ноосферы – и является одной из форм ее выражения. Оно связано, конечно, прежде всего с уточнением естественной научной работы и мысли в пределах биосферы, где живое вещество играет основную роль» (В. И. Вернадский, 2003).

Так, в последнее время резко меняется отражение живых существ в окружающей природе. Благодаря этому, процесс эволюции переносится в область минералов. Резко меняются почвы, воды и воздух. Здесь речь идет о том, что эволюция видов сама превратилась в геологический процесс, т. к. в процессе эволюции появилась новая геологическая сила. Вернадский писал: «Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы».

Здесь, естественно, напрашивается вывод о том, что геологической силой является собственно вовсе не Homo sapiens, а его разум, научная мысль социального человечества. В работе «Философские мысли натуралиста» Вернадский писал:

«Мы как раз переживаем ее яркое вхождение в геологическую историю планеты. В последние тысячелетия наблюдается интенсивный рост влияния одного видового живого вещества цивилизованного человечества – на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние в ноосфере» (Вернадский, 1988, с. 27).

Мы, как современники, являемся наблюдателями и исполнителями глубокого изменения биосферы. Причем перестройка окружающей среды научной человеческой мыслью посредством организованного труда вряд ли является стихийным процессом. Корни этого лежат в самой природе и были заложены еще миллионы лет назад в ходе естественного процесса эволюции. В начале книги мы уже говорили о том, что человек возник на планете не случайно, а составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, нескольких миллиардов лет. Отсюда, кстати, можно заключить, что высказывания о самоистреблении человечества, о крушении цивилизации не имеют под собой веских оснований. Было бы по меньшей мере странно, если бы научная мысль – порождение естественного геологического процесса, противоречила бы самому процессу.

Мы стоим на пороге революционных изменений в окружающей среде: биосфера посредством переработки научной мыслью переходит в новое эволюционное состояние – ноосферу.

Заселяя все уголки нашей планеты, опираясь на государственную организованную научную мысль и на ее порождение, технику, человек создал в биосфере новую биогенную силу, поддерживающую размножение и дальнейшее заселение различных ее частей. Причем, вместе с расширением области жительства, человечество начинает представлять из себя все более сплоченную массу, т. к. развивающие средства связи – средства передачи мысли окутывают весь земной шар. В. И. Вернадский пишет:

«Этот процесс – полного заселения биосферы человеком – обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно связан со скоростью сношений, с успехами техники передвижения, с возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения всюду на планете» (В. И. Вернадский, 2003).

При этом человек впервые стал реально понимать, что он житель планеты и может и должен мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода, государств или их союзов, но и в планетном аспекте. Он, как и все живое, может мыслить и действовать в планетном аспекте только в области жизни – в биосфере, в определенной земной оболочке, с которой он неразрывно, закономерно связан и уйти из которой он не может. Его существование есть ее функция. Он несет ее с собой всюду. И он ее неизбежно, закономерно, непрерывно изменяет. Похоже, что впервые мы находимся в условиях единого геологического исторического процесса, охватившего одновременно всю планету. XX в. характерен тем, что любые происходящее на планете события связываются в единое целое. И с каждым днем социальная, научная и культурная связанность человечества только усиливается и углубляется.

«Увеличение вселенскости, спаянности всех человеческих обществ непрерывно растет и становится заметным в немногие годы чуть не ежегодно» (Вернадский, 1988, с. 88).

Результат всех вышеперечисленных изменений в биосфере планеты дал повод французскому геологу Тейяр де Шардену заключить, что биосфера в настоящий момент быстро геологически переходит в новое состояние – в ноосферу, т. е. такое состояние, в котором человеческий разум и направляемая им работа представляют собой новую мощную геологическую силу. Это совпало, видимо не случайно, с тем моментом, когда человек заселил всю планету, когда все человечество экономически объединилось в единое целое и научная мысль всего человечества слилась воедино, благодаря успехам в технике связи.

Таким образом, человек, в том виде, в каком он наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое вещество, – это есть определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени.

Человек во всех его проявлениях представляет собой часть биосферы. Прорыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы и имеет эволюционные корни.

Ноосфера – это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное и переходящее геологическое явление. В. И. Вернадский отмечал:

«…Цивилизация “культурного человечества”, поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, – не может прерваться и уничтожиться, т. к. это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее, геологически сложившейся организованности биосферы. Образуя ноосферу, она всеми корнями связывается с этой земной оболочкой, чего раньше в истории человечества в сколько-нибудь сравнимой мере не было».

Многое из того, о чем писал Вернадский, становится достоянием сегодняшнего дня. Современны и понятны нам его мысли о целостности, неделимости цивилизации, о единстве биосферы и человечества. Переломный момент в истории человечества, о чем сегодня говорят ученые, политики, публицисты, был увиден Вернадским. Он видел неизбежность построения взаимоотношений человека и биосферы только на принципах их коэволюции. Это значит, что нужно по-новому решать вопросы взаимодействия общества с природой, что предопределено как эволюцией биосферы, так и историческим развитием общества. Осуществим ли этот проект?

12.4. Вопросы экологической политики

Коэволюция цивилизации и биосферы, как отмечалось выше, стала реальной необходимостью для дальнейшего существования двух глобальных систем на Земле. Однако, как показывает мировой опыт, эта проблема еще далека от своего решения.

Расширяя и усиливая антропогенное и техногенное давление на природу, общество сталкивается с тем, что природа теряет способность собственными силами восстанавливать нарушаемое экологическое равновесие и воссоздавать изъятые у нее ресурсы в соответствующем объеме. Отсюда вопрос о сохранении биоты (да и всей природы в целом) превращается в вопрос выживания человечества. Политика «возьми от природы все, но ничего ей не давай» – т. к. биосфера уже «диктует» человечеству свои условия: или погибнем вместе, или выживем.

Экономический рост, основывающийся на традиционных принципах, становится опасным. Формируемая в настоящий момент ситуация такова, что теперь общество вынуждено приспосабливаться к природе полностью за счет кардинального изменения своего отношения к ней. К сожалению, в мире пока нет политической системы, которая сама по себе гарантировала бы экологическое благосостояние страны.

Многие экологические проблемы сейчас перешагнули рамки национальных границ и приобрели глобальное измерение. Для их решения требуется объединение усилий всех стран мирового сообщества. Необходимо выработать согласованные позиции в вопросах эксплуатации природных (неживых и живых) ресурсов.

Успешным началом сотрудничества послужило подписание в 1987 г. 24 странами Монреальского протокола о снижении выбросов фреонов на 50 % к 1999 г. В результате за 1983–1989 гг. 12 европейских стран объявили о введении к указанному сроку полного запрета на их производство и использование, а в марте 1989 г. к ним присоединились США.

А остальные страны?

К сожалению, пока их только пытаются убедить в необходимости принятия аналогичных мер.

Переломным в подходе к охране окружающей среды в капиталистических странах принято считать рубеж 1970-х гг. Именно тогда надвигавшийся мировой экономический и топливно-энергетический кризис обнажил гибельность для цивилизации прежнего потребительского отношения к экологии. В эти же годы пришло понимание того, что значит для человека содержание окружающей среды. Робкие возражения небольших групп людей против проводимой некоторыми государствами губительной политики в отношении окружающей среды сменились массовым движением «зеленых». В сознание населения активно проникло понимание того, что нормальное состояние окружающей среды – это не просто борьба с загрязнением, а важнейшая цепь позитивной человеческой деятельности. «Жить в своих отходах человечество не может» – этот вывод Вернадского нашел свое подтверждение в конце XX в. Если отсутствует экологический комфорт, то жизнь становится невыносимой. Население все более определенно высказывает нежелание оплачивать свое материальное благосостояние тем или иным видом экологического ущерба. Ясно, что в условиях сопротивления некоторых стран, чтобы изменить свое отношение к экологии, необходимо было перейти к формированию гибкой экологической политики.

Упор в достижении экологических целей был сделан на следующие административные средства воздействия:

♦ ужесточение стандартов и нормативов на качество продукции и окружающей среды;

♦ использование экологической экспертизы производственных проектов для контроля за их размещением;

♦ соглашения, заключаемые местными органами власти о контроле за загрязнением;

♦ системы арбитража экологических конфликтов;

♦ природоохранительные программы всех уровней (национальный, региональный, префектурный, муниципальный).

Кроме этих мер, стало практиковаться судебное преследование нарушителей, опирающееся на закон об охране воздуха 1958 г., и закон об охране вод 1970 г. Согласно действующему законодательству, лица, игнорирующие сохранение окружающей среды (нарушение или отказ в строительстве очистных сооружений, сброс грязных вод в водоемы и т. д.), подвергались не только административной, но и уголовной ответственности за загрязнение среды. Если эти нарушения происходили на уровне государств, то против них вводились экономические и другие санкции.

Аналогичным образом была предусмотрена уголовная ответственность и в других странах.

Какова же экологическая политика в России?

12.5. Региональная экологическая политика в России

Защита окружающей среды – проблема общегосударственная. Но практические конкретные меры по ее решению ложатся главным образом на регионы. Ведь они непосредственно страдают от нарушения нормального состояния среды обитания и, к тому же, обладают необходимой информацией для отслеживания обстановки и принятия мер. Здесь же целесообразно разрабатывать местными специалистами (как лучше знающими, по сравнению с центром, особенности региона) научно обоснованные рекомендации по строительству соответствующих предприятий, использованию сельхозугодий и водных биоресурсов, а также оптимальному введению народного хозяйства. Мониторинг экологической обстановки ведут соответствующие региональные экологические службы. Основными направлениями их деятельности являются:

♦ контроль за соблюдением природопользователями (предприятиями, организациями, физическими лицами) экологических требований в соответствии с действующими нормативами;

♦ обязательная экологическая оценка новых объектов строительства, и в случае недостаточной экологической надежности – запрет на их строительство;

♦ содействие развитию предпринимательства, способствующего оздоровлению окружающей среды.

В случае экологического бедствия, вызванного теми или иными причинами (тайфуны, землетрясения и др.), необходима помощь центра в ликвидации нанесенного ущерба республикам и территориальным образованиям. Поэтому статус, условия, размеры и источники финансирования и ресурсообеспечения по данным зонам нуждаются в необходимом контроле верхнего уровня управления.

Какую же роль в улучшении экологической обстановки в регионе должна играть предпринимательская деятельность?

Это прежде всего:

♦ содействие созданию и стимулирование деятельности предприятий, обеспечивающих оздоровление окружающей среды;

♦ обеспечение переработки отходов в товарную продукцию с применением экологически чистых технологий;

♦ стимулирование и создание безотходных предприятий;

♦ производство чистой питьевой воды.

Можно организовать серийный выпуск недорогих очистных установок. В России есть хорошие опытные образцы такой техники. В экологии немало направлений, способных принести доход.

Чтобы предпринимательство успешно развивалось, его необходимо ориентировать не только на получение прибыли, но и на (по мере производственной деятельности) оздоровление экологической среды. Для этого необходимо создать предпринимателям благоприятные финансово-экономические условия.

Например, помимо денежных и правовых льгот, которые предусмотрены для малого бизнеса вне зависимости от характера его деятельности, предприятиям, способствующим оздоровлению природной среды, необходимо предоставить льготное налогообложение, вплоть до полного освобождения от муниципальных налогов.

Тогда малые и средние предприятия, часто работающие в неблагоприятных производственных условиях (низкокачественное сырье, плохие транспортные связи и т. п.), смогут достичь положительных экономических результатов для самого предприятия и выделять средства на сохранение или оздоровление экологической обстановки.

Аналогичные условия необходимо создавать и для потенциальных предпринимателей, например, из стран АТР и инвестирующих нашу промышленность.

Кроме этих мер, имеет смысл формировать региональные фонды поддержки предпринимательства. В их обязанности должны входить:

♦ льготное кредитование;

♦ безвозвратное субсидирование строительства и реконструкции предприятий, заинтересованных в экологической чистоте среды обитания.

Этого можно достичь за счет поступлений денежных средств в виде штрафных платежей за экологические нарушения, от других юридических и физических лиц, а также добровольных взносов предприятий, общественных организаций, местных органов власти, которым небезразлична судьба окружающей среды.

Помимо финансовых льгот, непременным условием широкого привлечения предпринимательства к природоохранной деятельности является создание в регионе экологического информационного центра, располагающего подробными сведениями об экологически неблагополучных объектах и возможных профилях промышленных предприятий, обеспечивающих оздоровление окружающей среды.

Перспективным направлением стимулирования охраны среды является (для малых, средних, крупных и других предприятий) страхование в области экологии.

Система страхования заключается в следующем.

Местные власти определяют на своей территории несколько промышленных предприятий, представляющих наибольшую экологическую yгpoзy. Эти предприятия отчисляют от своей прибыли часть денег страховой компании за право проводить на данной территории предпринимательскую деятельность. Деньги начинают работать, и часть из них идет на природоохранные нужды. Но имеется одна неопределенность при разработке данного способа сохранения экологической среды. Ведь кто-то должен определить перечень страховых сумм на случай аварии. Если на предприятии произойдет какое-либо ЧП, убытки будет оплачивать страховая компания, поэтому в компании должен быть солидный уставный капитал. Страхование является одним из немногих способов, позволяющих выйти из финансового кризиса, в котором находится российская экология. Деньги, накопленные за счет страхования, можно было бы выделять на развитие таких областей, которые никогда не принесут прибыли.

Кроме того, необходимо утвердить систему штрафов для тех предприятий, которые не выполняют экологических требований. По данным контроля за окружающей средой, на нарушителей установленных правил налагаются сейчас различные штрафные санкции. Однако в существующей форме они малоэффективны и не всегда стимулируют устранение экологически неблагополучных технологических процессов. Предприятиям обычно проще уплатить предусмотренный штраф, чем идти на значительную реконструкцию производства. Сохранению такой ситуации способствует то, что штрафные платежи относятся на себестоимость продукции и не влияют на прибыль предприятия.

Поэтому необходимо изменить систему штрафных санкций за нарушение экологических нормативов, т. е. ввести подвижную шкалу штрафов – чем дольше во времени предприятие загрязняет окружающую среду, тем больше размер штрафа. При увеличении выбросов сверх нормы должна прогрессивно расти и плата. При этом источником выплаты штрафов должна быть прибыль. Установленную систему платежей целесообразно пересматривать в сторону ужесточения хотя бы paз в два-три года.

И все же, несмотря на, казалось бы, разумные предложения по сохранению региональной (да и глобальной) экологии, одними вышеперечисленными мерами, как показывает практика, проблему не решить. Здесь мы видим два пути:

1) максимально усилить, на любом уровне, экологическое воспитание населения (от мала до велика);

2) сменить целевую функцию рыночной экономики, по крайней мере такой, как мы видим у нас: прибыль любой ценой.

Для этого, как писали в своем фантастическом романе «Возвращение» братья Стругацкие, человечеству необходимо оставить в покое биосферу (крайне разумное вмешательство) и вынести за пределы Земли (по мере освоения космического пространства) всю производственную деятельность, в том числе и получение урожаев из космических теплиц. Для нашего времени это пока фантастика. Но не утопия!