Экология

Биохимические процессы в организмах также представляют собой сложные, организованные в циклы цепи реакций. На воспроизведение их в неживой природе потребовались бы огромные энергетические затраты, в живых же организмах они протекают при посредстве белковых катализаторов – ферментов, понижающих энергию активации молекул на несколько порядков. Так как материалы и энергию для обменных реакций живые существа черпают в окружающей среде, они преобразуют среду уже тем, что живут. Вернадский подчеркивал, что живое вещество проводит гигантскую геолого-химическую работу в биосфере, полностью преобразуя верхние оболочки Земли за время своего существования.

Более 99 % энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца, эта энергия растрачивается в громадном большинстве физических и химических процессов в гидросфере, атмосфере и литосфере: перемещение воздушных и водных масс, испарение, перераспределение веществ, поглощение и выделение газов и т. п.

На Земле существует один-единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время. Этот процесс – создание органического вещества в процессе синтеза. Так, сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растительностью сотни миллионов лет назад.

Таким образом, основная планетарная функция живого вещества на Земле заключается в связывании и запасении солнечной энергии, которая затем идет на поддержание множества других геохимических процессов в биосфере.

Биохимическая функция биосферы рассматривается Вернадским как всеобщее проявление жизни на Земле. Ни один отдельно взятый вид организмов не мог играть эту роль. Для обеспечения всего разнообразия форм биогенной миграции химических элементов необходимо было развитие определенного комплекса организмов. Отсюда возникает проблема эволюции биосферы как единого целого в процессе историко-геологического развития нашей планеты.

Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере, литосфере (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Область распространения организмов в биосфере:

1 – уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 – граница снегов; 3 – почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных залежах

Литосфера – это земная кора, внешняя твердая оболочка земного шара, образованная осадочными и базальтовыми породами. Основная масса организмов, обитающих в литосфере, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров.

Гидросфера – водная оболочка Земли, составленная Мировым океаном, который занимает примерно 70,8 % поверхности земного шара. В гидросферу биосфера проникает практически на всю глубину Мирового океана.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, в которой преобладают кислород и азот. Наибольшее значение для биологических процессов имеют: кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего живого вещества; углекислый газ, используемый при фотосинтезе; озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения.

В атмосфере различают: тропосферу – примыкающий к поверхности Земли нижний слой атмосферы высотой около 15 км, в который входят взвешенные в воздухе водяные пары; стратосферу – слой над тропосферой высотой около 100 км; в стратосфере под действием жесткого излучения Солнца из молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, который затем, соединяясь с кислородом, превращается в озон, образующий озоновый слой, задерживающий космические и УФ-лучи, губительно действующие на живые организмы.

Таким образом, современная биосфера является итогом длительного исторического развития всего органического мира в его взаимодействии с неживой природой. В процессе этого развития в биосфере возникла сложная сеть взаимосвязанных процессов и явлений; благодаря взаимодействию абиотических и биотических факторов биосфера находится в постоянном движении и развитии. Она прошла значительную эволюцию со времени появления человека, т. е. на протяжении последних 2–3 млн лет. Однако если первоначально по своему воздействию на природу человек мог рассматриваться лишь как один из второстепенных факторов, то по мере развития цивилизации и роста ее технической оснащенности его роль стала сравнимой с действием мощных геологических процессов. Это обстоятельство заставляет самым серьезным образом относиться к возможным отдаленным последствиям как производственной, так и природоохранной деятельности человека.

В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и становится, по определению Вернадского, ноосферой – “сферой разума”. Ноосфера – новое геологическое явление на нашей планете, в ней человек впервые становится крупнейшей геологической силой. Ноосфера – мир разумных, научно обоснованных поступков в глобальном масштабе.

Круговорот основных элементов в биосфере – это многократное участие веществ в процессах, происходящих в атмосфере и гидросфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты. Особое значение имеют круговороты кислорода, углерода, азота, серы и фосфора. Биогеохимический цикл кислорода – планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой.

Узловыми звеньями круговорота являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление кислорода для осуществления дыхания всеми живыми организмами, для реакции окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и другие химические преобразования, которые ведут к образованию таких окисленных соединений, как углекислый газ, вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтетических превращений.

В круговороте кислорода отчетливо проявляется активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Исходя из массы органического вещества, синтезированного в течение года (с учетом 15 % потраченных на процесс дыхания), можно заключить, что ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 × 109 т. Лишь немногим более 25 % этого количества выделяется растительностью суши, остальное – фотосинтезирующими организмами Мирового океана (свободный кислород присутствует не только в атмосфере, в растворенном состоянии он содержится и в природных водах). Суммарный объем вод Мирового океана равен 137 × 109 л, а в 1 л воды растворено от 2 до 8 см3 кислорода. Следовательно, в водах Мирового океана находится от 2,7 × 102 до 10,9 × 102 т растворенного кислорода. Часть органического вещества захороняется, вследствие чего из годичного круговорота выводится связанный кислород.

Кислород используется для процесса горения и других видов антропогенной деятельности. За всю историю человечества до 1980 г. мировое потребление топлива составило около 84 млрд т каменного угля, 30 млрд т нефти и около 7,3 трлн м3 природного газа. На сжигание этого количества топлива было израсходовано 273 млрд т кислорода, и в результате образовано 322 млрд т углекислого газа. Около 90 % перечисленного топлива было сожжено за последние 40–60 лет. В абсолютных величинах суммарный расход топлива человечеством всех эпох к 2000 г. достиг 550–650 млрд т условного топлива. В итоге к 2000 г. суммарный расход кислорода на сжигание топлива составил 800–900 млрд т, а поступление углекислого газа в атмосферу возросло до 95–1050 млрд т.

К этому необходимо добавить расход кислорода на дыхание человека, животных, растений, на выполнение микроорганизмами окислительных реакций. При норме потребления кислорода 1 кг в сутки и общей численности населения Земли 4,8 млрд человек (начало 1986 г.) ежегодное потребление кислорода человечеством составляет около 1,8 млрд т; к 2000 г., когда на Земле стало 6 млрд человек, оно составило 2,6 млрд т в год. К этому времени потребление кислорода на промышленные и бытовые нужды, на транспорт достигло 50 млрд т в год.

К 2000 г. с учетом всех видов расхода, включая дыхание растительного мира, ежегодное потребление кислорода составляет 210–230 млрд т, тогда как вся фитосфера ежегодно продуцирует 240 млрд т этого газа.

На суше в процессе фотосинтеза происходит фиксация углекислого газа растениями с образованием органических веществ и выделением кислорода. Остатки растений и животных разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксируемый растениями углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа.

Круговорот углерода в гидросфере (рис. 1.3) является более сложным, чем в атмосфере, поскольку возраст этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи, так как между сушей и Мировым океаном происходит постоянный обмен углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу, а затем переносимого воздушными течениями.

Рис. 1.3. Круговорот углерода в биосфере

Живое вещество в биосфере осуществляет газовую, концентрационную, окислительную и восстановительную функции. Кислород и азот атмосферы, весь углекислый газ, по мнению Вернадского, имеют органогенное происхождение.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет примерно 200 млрд т сухого органического вещества; за это же время в процессе фотосинтеза на планете образуется 46 млрд т органического углерода, 123 млрд т кислорода.

“Вихрь жизни”, как говорил Вернадский, захватывает освобожденные при гниении микроорганизмов элементы, поступающие в литосферу, гидросферу и атмосферу и снова включает их в круговорот веществ.

В круговороте азота чрезвычайно большую роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрофикаторы. Все остальные организмы влияют на цикл азота только после ассимиляции его в состав своих клеток. Азот фиксируют также пурпурные и зеленые фотосинтезирующие бактерии, различные почвенные бактерии.

В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140–700 мг/м3. В основном это биологическая фиксация, и лишь небольшое количество азота (в среднем не более 35 мг/м3 в год) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов. Высокая интенсивность фиксации отмечена в некоторых загрязненных озерах с множеством сине-зеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, фиксация азота в расчете на 1 м3 меньше, чем на суше. Однако общее количество фиксированного азота является значительным и весьма важным для глобального круговорота.

В круговороте азота из огромного запаса этого элемента в атмосфере и литосфере принимает участие только фиксированный азот, усваиваемый живыми организмами суши и океана. В круговороте азота принимают участие: азот биомассы, азот биологической фиксации бактериями и живыми организмами, ювенильный (вулканогенный) азот, атмосферный (фиксированный при грозах) и техногенный.

На огромных массивах, где деятельность человека почти отсутствует, растения берут необходимый им азот из вносимого в почву азота извне (нитраты с дождями, аммиак из воздуха), из возвращаемого в почву азота (останки животных, растений, экскременты животных), а также из разнообразных азотфиксирующих организмов.

Наибольшее количество азота и зольных элементов содержится в биосфере лесной растительности, почти во всех типах растительности масса зольных элементов в 2–3 раза превышает массу азота. Исключение составляет тундровая растительность, в которой содержание азота и зольных элементов примерно одинаково. Наибольшее количество оборачивающихся в течение года элементов (т. е. емкость биологического круговорота) – во влажных тропических лесах, затем – в черноземных степях и широколиственных лесах умеренного климата (в дубравах).

В биосфере хорошо развит процесс циклических превращений серы и ее соединений. Резервуарный фонд серы обширен в почве и отложениях, меньший – в атмосфере, основную роль в обменном фонде серы играют особые микроорганизмы, каждый вид которых выполняет определенную реакцию окисления и восстановления; в результате микробной регенерации серы из глубоководных отложений к поверхности перемещается сероводород. В глобальном масштабе в регуляции круговорота серы участвуют геохимические и метеорологические процессы (эрозия, осадкообразование, выщелачивание, дождь, адсорбция, десорбция и т. д.), биологические процессы (продукция биомассы и ее разложение), взаимосвязь воздуха, воды и почвы. Сульфат, аналогично нитрату и фосфату, – основная доступная форма серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в белки (сера входит в состав ряда аминокислот).

На круговорот азота и серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение воздуха: сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание в воздухе летучих окислов азота (NO и NО2) и серы (SO2), особенно в городах. Их концентрация становится опасной для биотических компонентов экосистем.

Геохимический цикл фосфора в большей мере отличается от циклов углерода и азота. Содержание этого элемента в земной коре равно 0,093 %. Это в несколько десятков раз больше содержания азота, но в отличие от последнего фосфор не является одним из главных элементов оболочек Земли. Тем не менее его геохимический цикл включает разнообразные пути миграции в земной коре, интенсивный биологический круговорот и миграцию в гидросфере.

Фосфор – один из главных органогенных элементов. Его органические соединения играют важную роль в процессах жизнедеятельности всех растений и животных, входят в состав нуклеиновых кислот, сложных белков, фосфолипидов мембран, служат основой биоэнергетических процессов. Фосфор концентрируется живым веществом, где его содержание в 10 раз больше, чем в земной коре. На поверхности суши протекает интенсивный круговорот фосфора в системе “почва – растения – животные – почва”. В связи с тем, что минеральные соединения фосфора труднорастворимы и содержащийся в них элемент почти недоступен растениям, последние преимущественно используют его легкорастворимые формы, образующиеся при разложении органических остатков. Круговорот фосфора происходит и в системе “суша – Мировой океан”. Тут его основой является вынос фосфатов с речным стоком, взаимодействие их с кальцием, образование фосфоритов, залежи которых со временем выходят на поверхность и снова включаются в миграционные процессы.

Человек должен планировать свою хозяйственную деятельность с учетом цикличности природных процессов. Особенно тщательно ее следует учитывать в земледелии, пастбищном животноводстве, водоснабжении, навигации. Распашка, внесение минеральных удобрений, загрязнение нефтью и тяжелыми металлами весьма обедняют фауну почвы. При этом нарушаются и даже полностью выпадают звенья нормальных пищевых цепей и биогеохимических циклов. Реакция почвы на вмешательство человека необычайно велика.

Запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих их организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись как в течение жизни организмов, так и после их смерти. Нельзя забывать, что общество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, образует круговорот. Основным механизмом удержания солнечной энергии и образования фитомассы, включающей огромные количества углерода, воды и распространенных биофилов, являются биогеоценозы лесных и травянистых ландшафтов.

1.3. Среда обитания и здоровье человека

Здоровье человека, целых групп населения зависит от воздействия различных подсистем природной и социальной среды, реализующегося через физиологические, биофизиологические и биохимические механизмы регуляции и отражающегося на физиологическом состоянии человека (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Модель влияния среды обитания на здоровье населения

Возрастающие темпы изменения среды обитания приводят к нарушению взаимосвязи между ней и человеком, снижению адаптационных возможностей организма. Среда обитания может содержать такие вещества, с которыми организм в ходе эволюции не сталкивался и поэтому не имеет соответствующих анализаторных систем, сигнализирующих об их наличии. В связи с этим оценить состояние здоровья человека, понять характер патологии в отрыве от анализа происходящих изменений в окружающей среде невозможно.

Поэтому большое значение имеет организация информационной системы “здоровье населения – окружающая среда” (ЗН–ОС), данные для которой могут собираться через государственную статистическую отчетность. Задача государственной информационной системы ЗН–ОС заключается в сборе данных о загрязнении окружающей среды, состоянии здоровья населения.

Система ЗН–ОС должна состоять из трех самостоятельных информационных подсистем, организуемых различными по ведомственной принадлежности учреждениями.

Так, сбор информации о состоянии здоровья населения (подсистема “здоровье населения”) будет осуществляться органами здравоохранения (в поликлиниках, больницах, диспансерах, консультациях и др.); о численности и составе населения (подсистема “численность населения”) – органами территориального, городского и других статистических управлений; о загрязнении окружающей среды (подсистема “окружающая среда”). Вся собранная информация обрабатывается в территориальных центрах санэпиднадзора.

Анализ информации может осуществляться на разных уровнях – в городах, областях, республиках, на уровне всей страны. Материалы о состоянии здоровья населения, меняющегося в связи с загрязнением окружающей среды, и о характере этого загрязнения позволят более обоснованно управлять качеством окружающей среды с целью охраны здоровья населения.

Важное значение в настоящее время приобретает защита генетического кода от воздействия различных факторов окружающей среды. Глубокие изменения биосферы происходят стремительнее, чем темпы эволюции живых организмов. Поэтому в отлаженном тысячелетиями механизме взаимоотношений среды и организма, связанном с характером и уровнем защитных функций последнего, может возникнуть дисбаланс.

Агрессивные экологические факторы повреждают хромосомы и вызывают мутации в генах, искажают наследственную информацию, в результате чего “больные” клетки начинают безудержно делиться. При этом раковые клетки не уничтожаются иммунной системой, предварительно ослабленной теми же негативными экологическими факторами.

При огромном разнообразии видов мутации, наличии многих разновидностей злокачественных опухолей трудно найти лечебные средства против всех их форм. Главные усилия человечества должны быть направлены на устранение вызывающих их причин.

Предельно допустимые экологические нагрузки (ПДЭН). Для оценки допустимости воздействия различных факторов на окружающую природную среду весьма важным является определение допустимого порога вредных воздействий и учет зависимости “доза – ответная реакция”. Под порогом допустимого воздействия на биологическую систему надо понимать не любые изменения экосистем, а лишь те, что могут вывести за пределы обычных физиологических колебаний исторически сложившийся комплекс живых организмов, обитающих на данной территории (биоту).

Понятие “допустимые воздействия и нагрузки” на среду обитания – достаточно сложное. Любая возникающая в результате какого-либо воздействия аномалия в экологической системе, выводящая ее из нормального состояния, определяется как экологическая нагрузка.

Допустимыми можно считать такие воздействия, которые не приводят к изменению качества окружающей природной среды или меняют ее, не нарушая экологическую систему и не вызывая неблагоприятных последствий. Если нагрузка превышает допустимую, антропогенное воздействие причиняет ущерб популяции, экосистеме или биосфере в целом.

При определении ПДЭН необходимо учитывать состояние индивида, популяции, сообщества, экологической системы и фоновое загрязнение биосферы в целом. Значения ПДЭН опираются на понятие устойчивости экосистемы или отдельных ее звеньев и уровней, если резерв прочности отсутствует.

Определение допустимой нагрузки имеет большое значение при проектировании и осуществлении хозяйственной деятельности при строительстве городов; рекреационном развитии регионов; при определении приоритетов в деятельности по защите человека и природной среды в зонах интенсивного антропогенного воздействия и разработке мер, направленных на уменьшение вредных воздействий; при построении оптимальных систем мониторинга состояния окружающей природной среды.