Читать книгу Биосферные риски - В. Б. Живетин - Страница 4

Человек неразрывно связан с биосферой, которая включает в себя костную материю, растения, животных и человека. Биосфера существует на Земле около 3,8 млрд. лет, причем начала экологической и биологической истории совпадают с точностью до сотен миллионов лет. Хронологическое развитие биосферы представлено в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Биосфера и порожденная ей этносфера суть фундамент социосферы. Биосфера неотделима от этносферы, которая создана совокупностью эгосфер (человека). Биосфера, этносфера (человечество) и социосфера в совокупности составляют единую систему с соответствующей структурой, наполненной подсистемами, которые обладают необходимыми функциональными свойствами. Взаимосвязь этноса и биоса, этноса и социума осуществляется посредством участия человека. Выполняя законы биосферы, человек выступает как объект этноса, выполняя законы социальной среды – как объект социальной системы.

В данной работе рассматривается проблема риска биосферы, включенной в систему: «этносфера – системы власти – социосфера – биосфера». При этом биосфера включена в обратную связь и задает условия развития и деградации системы в целом.

Для изучения указанной системы, представляющей собой иерархическую систему, введем ряд понятий, обусловленных взаимодействием систем иерархии и необходимостью их теоретического описания:

– взаимодействие между подуровнями;

– взаимодействие между уровнями одного порядка двух разных систем.

Каждое такое взаимодействие должно быть описано своим типом энергии из разных областей знаний.

Определение 1.1. Обобщенная работа A* = {GL*} в пространстве состояния иерархии систем – это взвешенное с помощью весовой функции G движение L*, совершаемое системой.

Определение 1.2. Обобщенная энергия E* системы – это способность системы совершать обобщенную работу A*, т. е. совершать движение L* в пространстве состояния.

Определение 1.3. Энергетика – это семантическая сеть, структура которой соответствует энергетическим потокам иерархической системы, представляющая собой вектор в пространстве состояния иерархической системы.

Определение 1.4. Обобщенная свободная энергия E*^c системы иерархии характеризует часть обобщенной энергии E*, которую она может отдавать в среду, не нарушая энергетики как семантической сети.

Семантическая сеть — обобщение графа, структура, содержащая совокупность узлов и дуг различного типа.

Немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольт (1769–1859 гг.) утверждал, что «живое существо есть неразрывная и закономерная часть поверхности планеты, неотделимая от ее химической среды». Венчают монументальное здание биокосмического и планетарного мировоззрения человечества труды В.И. Вернадского (1863–1945 гг.), а именно, его концепции «биосферы», переводящей космические излучения в действенную земную энергию – электрическую, химическую, механическую, тепловую и т. д. [26]. Идея биосферы в общем виде была высказана им еще в середине 80-х годов XIX века в докладе на заседании студенческого научно-литературного общества Петербургского университета [26]. Завершая доклад, Вернадский отметил: «Живая материя скопилась в виде тонкой пленки на поверхности земного сфероида: вверх, в атмосферу, она едва достигает верст 8–10; вниз, вглубь земного шара, – еще меньше. Везде, всюду царит мертвая материя – материя, в которой не происходит никакой жизни. Но что такое жизнь? И мертва ли та материя, которая находится в вечном непрерывном законном движении, где происходит бесконечное разрушение и созидание, где нет покоя? Неужели только едва заметная пленка на бесконечно малой точке в мироздании – Земле – обладает коренными, особенными свойствами, а всюду, везде царит смерть? Разве жизнь не подчинена таким же строгим законам, как и движение планет, разве есть что-нибудь в организмах сверхъестественное, что бы отделяло их резко от остальной природы? Покуда можно только предлагать эти вопросы. Их решение будет найдено наукой».

Что же такое жизнь, и как она возникает в историческом аспекте? Снова обратимся к мнению В.И. Вернадского. Прежде всего, он сосредотачивает внимание на составных элементах и структуре живого вещества, включающих:

– сами живые организмы;

– жизненную среду, в том числе часть костной (абиотической) природы, жидкой, твердой и газообразной, необходимой для поддержания жизнедеятельности организмов;

– отмершие и отмирающие части организмов, трупы и их остатки на земной поверхности;

– выделения живых организмов, находящихся в земной коре.

Вернадский считал, что отмершие части живых организмов и трупы должны быть отнесены к живому веществу, так как они насыщены разнообразными организмами, до конца использующими для жизни находящиеся в них соединения. В среднем масса и энергия этих организмов, в конце концов, будет равна массе и энергии трупов и их отмерших частей. При описании элементов и структуры живого вещества следует иметь в виду, что чем короче промежуток времени, в пределах которого такое описание производится, тем точнее будет определено живое вещество.

Рассмотрим современное описание эволюции жизни, следовательно, живого вещества. Для понимания уникальности живого организма приведем два примера. Некоторые химические реакции вне организмов вообще не происходят при нормальных температурах и давлении:

– жиры и углеводы окисляются в организме при 37ºС, а вне его – при 400÷500ºС;

– синтез аммиака из молекулярного азота в промышленных условиях осуществляется при температуре 500ºС и давлении 300–500 атм., а микроорганизмы без затруднений осуществляют эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении; такая реакция возможна при помощи белковых катализаторов-ферментов.

Простые органические соединения (гипотетический сценарий: координата х₀, которой соответствует энергия Е₀) могли образоваться под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца, вулканической деятельности из простых химических соединений: СН₄, NH₃, H₂O, CО, N₂, H₂. Здесь положено начало формирования базиса пространства энергетик биосферы. С этого момента природа начала творить синтез биосферы, создавая необходимые объекты. Новыми соединениями могут быть молекулы сахара, аминокислот, азотных оснований, из которых состоят белки, нуклеиновые кислоты, вещества – энергоносители типа аденозинтрифосфата (АТФ).

Органические молекулы в процессе своего синтеза и разрушения положили начало круговороту органического вещества, в результате образовались первые сгущения органики – коацерваты. При этом первые предбиологические системы должны были обладать способностью поглощать, в том числе ненужные им вещества, и избавляться от них. Здесь заложено самое важное для будущего биосферы как системы со структурой: начало обмена веществ, переноса и преобразования энергии, обмена информацией. В итоге коацерватные капли могли превратиться в простейшие организмы, а сохранялись при этом лишь те капли органики, которые при делении не теряли в дочерних каплях свои признаки, химический состав и структуру. В итоге сложнейшего объединения нуклеиновых кислот и белков были созданы высокоорганизованные предбиологические системы. В дальнейшем были созданы условия для синтеза белков на базе кислот (дезоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых), что дало первичные механизмы наследственности. Таким образом, было положено начало перехода от предбиологического этапа развития к биологическому, характеризуемому энергетиками E₀ и E₁, состоящими из компонент x₀ и x₁ (двумерный базис).

Около 2–3 млрд. лет назад возникли первые клетки, похожие на цианобактерии. Наследственность и клеточная структура положили начало биологической эволюции. Химеосинтез сменился фотосинтезом – образованием кислорода, который явился ядом для анаэробов. Окислительная атмосфера была создана в архее (400–500 млн. лет назад), когда количество кислорода составляло лишь 10 % от сегодняшнего (точка Пастера). В итоге появилась возможность распространения жизни из воды на сушу. Возникла область допустимых состояний Ω_доп биосферы внутри области критических состояний Ω_кр энергий живого вещества, где его жизнь раньше была невозможна.

Необходимая для синтеза различных веществ энергия E = (E₀, E₁, E₂), включающая в себя компоненты x₀, x₁, x₂ (т. е. имеющая трехмерный базис), в новом организме может быть получена при окислении глюкозы. Часть этой энергии теряется в виде тепла, а основная часть идет на синтез АТФ. Распад АТФ сопровождается выделением энергии, которая используется в организме для поддержания ряда процессов: сокращения мышц, секреторных функций, синтеза новых веществ и т. п. Так, например, возбужденная молекула АТФ в живой клетке зеленого листа растения, содержащего воду и двуокись углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода.

Жизнь функционирует в пределах «квантов» биосферы, которые в 1935 году английский ученый Артур Дж. Тенсли назвал экосистемами. Размеры экосистемы колеблются в широком диапазоне: «от точки до оболочки». Глобальный геохимический круговорот веществ в биосфере не является замкнутым. Система воспроизводства отдельных циклов достигает 90÷98 %. В масштабах геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или метабиосфере Земли. Эти несколько процентов вещества, исключаемые из круговорота, составляют «выход в геологию». Жизнь на планете возможна, пока происходит обмен энергией и веществом между недрами и поверхностью. Приведем основные параметры динамики биосферы Земли:

– обновление биоэнергии осуществляется в среднем за 8 лет;

– вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет;

– масса живого вещества в океане обновляется за 33 дня, а фитомасса – каждый день.

Рассмотрим другие свойства живого вещества.

Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией (в термодинамическом смысле), в неживой природе с ним сравнимы лавовые потоки, но они недолговечны.

В живом веществе химические реакции идут в 100–1000 раз быстрее (за счет ферментов), чем в обычных земных условиях.

Слагающие живое вещество химические соединения (белки, ферменты и др.) устойчивы только в живых организмах.

Саморегулируемое произвольное движение – общий признак живого вещества, пассивное движение – это рост организмов, а активное – направленное перемещение (более характерно для животных). Стремление к максимальной экспансии присуще живому веществу так же, как свойственно теплоте переходить от горячего состояния к холодному. Например, если бы все споры гигантского гриба-дождевика (7,5 млрд. спор) пошли в дело, то уже во втором поколении объем дождевиков в 800 раз превысил бы размеры Земли.

Живое вещество имеет значительно большее морфологическое разнообразие, чем неживое. Известно более 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества. Природные соединения (минералы) неживого вещества составляют всего 2 тыс. видов. Кроме того, тела живого вещества всегда построены из веществ, находящихся во всех трех фазовых состояниях. Однако при всем многообразии состава живого вещества наблюдается биохимическое единство органического мира. Все живые организмы построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты, осуществляют передачу наследственной информации по одному и тому же пути (ДНК, РНК → белок) и используют один и тот же генетический код. Человек не так уж сильно отличается от травы, растущей у него под ногами.

Живое вещество находится в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов, размеры которых представлены в большом диапазоне: от 20 нм до 100 м (1 нм = 10^–9 м).

Живое вещество всегда представлено биоценозами (экосистемами).

Живое вещество подчиняется принципу Реди: «все живое от живого». При этом современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

Воспроизводство живого вещества происходит путем его морфологических и биохимических изменений.

Жизнь в биосфере существует во внеклеточной и клеточной формах.

Внеклеточные организмы – вирусы (это понятие ввел Дм. Ивановский, 1892 г.) – лишены раздражимости и собственного аппарата синтеза белка, т. е. могут развиваться только в клетках других организмов. Вирус не питается в обычном смысле и не растет. Он вызывает такие болезни, как, например, грипп, корь, свинка, оспа, бешенство, гепатит, энцефалит и т. п., что уменьшает область допустимых состояний Ω_доп живого вещества. Вирус способствует естественному отбору наиболее приспособленных организмов.

Клеточные организмы делятся на прокариотов и эукариотов. Прокариоты (бактерии) не имеют клеточного ядра, у них отсутствует дифференциация соматического (телесного) и репродуктивного живого вещества. Основная роль бактерий – разложение органики и возвращение слагающих элементов в биологический круговорот.

Отметим, что жизнеспособные бактерии были найдены на Луне, куда их занесли с Земли космические аппараты. Один из видов – цианобактерии – экологический феномен, их находят даже в ядерных реакторах. Они являются фотоавтотрофами и, подобно растениям, выделяют кислород. Предположительно именно они создали кислородную атмосферу в докембрии (600 млн. лет назад), появившись еще 3,5 млрд. лет назад (архейская эра). Эти бактерии подготавливают бесплодный субстант для заселения разнообразным живым веществом, например, ногохвостками. Таким образом, самые примитивные на Земле организмы, прокариоты, обнаруживают удивительную приспособленность к невероятным условиям существования. Их значение состоит в следующем: из фиксируемого организмами, полученного естественным путем азота, около 90% – «заслуга» прокариотов и 10 % – результат воздействия молний.

Эукариоты морфологически очень разнообразны: от микроскопических грибов до человека. Клетка эукариота возникла от симбиотического слияния клеток различных прокариотов.

Основным создателем живого вещества является океан. Примерно 80 % массы живого вещества приходится на долю мелких фотосинтезирующих организмов – пикопланктона, вклад которых возрастает с глубиной. Другая жизнеспособная пленка в океане существует на дне океана. Это донная пленка – бентос. К бентосу относится 157 тысяч из 160 тысяч видов морских животных: бактерии, простейшие и многоклеточные живые организмы. На дне копится все, что не успели съесть раньше. Сгущение живого вещества наблюдается в прибрежной зоне, где сходятся планктонная и донная пленки жизни.

Способствуют сгущению живого вещества и тропические леса. Причем биомасса почвенных животных в 4 раза выше, чем биомасса наземных обитателей. Основу почвенной зоомассы составляют дождевые черви. Они пропускают через себя весь почвенный пласт толщиной 1 м за 200 лет. Их биомасса в 10 раз больше человеческой.

По абсолютному количеству биомассы суша во много раз превосходит океан, однако накопление биогенного вещества на континентах не происходит. Высшие растения предпочитают строить свой каркас из лигнина, а не из карбоната кальция, как морские организмы. В результате после отмирания растений их остатки обычно полностью разлагаются.

Все живые организмы существуют только в форме популяций, т. е. совокупности особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией (панмиксия). Каждая популяция имеет определенные свойства: соотношение особей разного возраста, соотношение полов, размещение в виде колоний, семей, стай, численность и амплитуда ее колебаний. Свойства (структура) популяций определяются экологической нишей данного вида, соответствием условий места обитания (биотопа).

Между живой и неживой природой существует тесная энергетическая связь. Любой живой организм зависит от параметров окружающей среды, химического состава пищи. С другой стороны, например, атмосферный кислород, почва, минеральные ископаемые имеют биогенное происхождение. При этом живая природа формирует неживую, которая определяет ее жизнь.

Это свойство вещества обусловлено его движением по замкнутому кругу. Солнечная энергия трансформируется в другие виды энергии и запасается в виде энергии химических связей. Выделяют большой круговорот вещества и энергии (геологический) и малый (биологический), который непосредственно влияет на человека. Биологический круговорот заключается в непрерывном обмене веществом и энергией между организмом и средой в процессах возникновения и разрушения организмов (рождения и смерти). Элементарной структурной единицей биосферы считается биогеоценоз (экосистема) – совокупность живых организмов и косных компонентов (слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) в их динамическом взаимодействии (обмен веществом и энергией).

Особо отметим энергетические потоки. Сегодня дополнительная энергия (помимо той, которая создается солнечной радиацией), возникающая по воле человека, составляет 10 млрд. кВт. Это столько же, сколько несет тепловой поток из недр Земли, хотя и существенно меньше потока солнечной энергии, устремленной к Земле, равной 1,23×10⁵ млрд. кВт. Чтобы не причинять вред биосфере, величина дополнительной энергии не должна превышать 0,1 % от солнечной [26], т. е. не должна быть больше 123 млрд. кВт, значит, Е_доп ≤ 123 млрд. кВт. При существующих темпах производства и потребления энергии в мире верхний предел Е_доп земной энергетики, обусловленной температурой земной поверхности, прогнозируется достигнуть через 200 лет.

Важными в проблеме сохранения и потерь биосферы являются биотические факторы, представляющие собой совокупное влияние жизнедеятельности одних организмов на другие. Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно разнообразны и включают прямые и косвенные связи. Первые характеризуются непосредственным воздействием одних организмов на другие; вторые проявляются в том, что одни живые организмы изменяют режим биотических факторов среды для других организмов. Роль биотических факторов в окружающей среде особенно заметна на примере человеческой деятельности. Горы Древней Греции, как известно из поэм Гомера, были покрыты густым лесом. Сейчас это голые скалы. Их травяной покров был вытоптан стадами домашних коз (из всех домашних животных они нарушают покров наиболее сильно).

В качестве другого примера может служить самая большая пустыня планеты – Сахара. Как показывает результаты бурения долины Нила, пустыни Сахары не существовало во время теплых промежутков между древними ледниковыми периодами. Скорее всего, и она результат деятельности человека, пасшего стада на непрочном травяном покрове. В настоящее время площадь Сахары увеличивается из-за уничтожения аборигенами тропических лесов.

Судьба Аральского моря, строительство плотин на равнинных реках, распашки целинных земель и многие другие факты антропогенного воздействия на окружающую среду убедительно свидетельствуют о роли биотических факторов в биосфере. Альбедо песчаных пустынь выше, чем альбедо участков, покрытых растительностью. В то же время сухость воздуха пустынь способствует их радиационному охлаждению. Поэтому пустыни (занимающие 6 % территории суши), в том числе Сахара, дополнительно охлаждают Землю. Напротив, лесонасаждения и орошение засушливых земель человеком положительно влияют на климат.

Воздействие человека на биосферу сводится к изменениям:

– структуры земной поверхности (распашка, вырубка леса, мелиорация, искусственные водоемы и др.);

– состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископаемых, выбросы веществ), вызывают глобальные изменения физико-химических параметров среды;

– энергетического баланса отдельных регионов Земли;

– живого мира (изменение биомассы, истребление животных, рыб, снижение генетического разнообразия вследствие того, что генные повреждения у 30 % особей популяции ведут к ее полной гибели).