«Г.С.Розенберг, Ф.Н.Рянский ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по классическому университетскому образованию Российской Федерации в качестве учебного ...»

лет) для проверки этой гипотезы [Hoffman, Kitchell, 325; Wei, Kennett, 373; Lewin, 337] дало свидетельства как в пользу одной, так и другой гипотез. Это все равно позволило Р.Левину достаточно оптимистично завершить свою статью: «Когда была предложена гипотеза Красной Королевы, это приветствовалось как "главный шаг к интерпретации эволюционных изменений в терминах общих правил и процессов".

Дальнейшее развитие этих представлений и связь с некоторыми высоко­ качественными палеонтологическими данными обещает в будущем бо­ лее полное понимание этого явления» [Lewin, 337, р. 400].

Принцип эволюционно-экологической необратимо­ сти: экосистема, потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в результате сукцессии, не может вернуться к первоначальному своему состоянию, если в ходе изменений произошли эволюционные (микроэволюционные) изменения в ее компонентах. Иными словами, к такой экосистеме надо подходить как к новому природному обра­ зованию и не переносить на нее ранее выясненные закономерности.

Модель Тома и Джерри Маргалефа — представления о па­ раллельном коэволюционном развитии системы с сопоставимым уров­ нем организации хищника и жертвы: «...как хищник, так и жертвы ока­ зываются включенными в эволюционный процесс, ведущий к увеличе­ нию размеров всех его участников... Это эскалация экологической войны»

[140, с. 139]. Модель получила такое название по аналогии с названием известного мультипликационного сериала Уолта Диснея (если бы эта модель была предложена отечественными исследователями, ее можно было бы назвать моделью «Ну, погоди!»).

Модели эволюции — специальный раздел математической экологии. Число моделей эволюции огромно.

Правило «Age and Area» — положение, высказанное еще А. Де Кандолем (De Candolle) в 1855 г., обсуждавшееся Ч.Дарвиным (Dar­ win), Дж.Виллисом (Willis) и сравнительно недавно ставшее предметом рассмотрения в статьях А.И.Кафанова [105] и Ю.И.Чернова [269]: чем древнее таксон, тем, как правило, обширнее его ареал. Фактически как продолжение этого правила могут использоваться еще два правила биогеографии — правило оттеснения реликтов А.Уоллеса (Wallace) и правило тропического давления П.Дарлингтона (Darlington). Общим для этих двух правил является «...положение об "оттеснении" архаичных примитивных форм более молодыми и про­ двинутыми» [269, с. 1445].

По данным Н.Н.Цвелева [266], центр разнообразия бамбуков (Ватbusoideae) находится в тропиках Юго-Восточной Азии, где преобладают по числу видов достаточно продвинутые формы, а в субтропических районах и в горах наибольшее разнообразие демонстрируют в основном формы примитивные. Та же закономерность, по данным Д.П.Жужикова [85], просматривается и в распространении видов отряда термитов (hoptera). Еще более яркую картину дают амфибии, и, в частности, высокую приспособленность к экстремальным условиям севера демонстрирует сибирский углозуб (Hynobius keyserlingii) — примитивнейшая форма хвостатых земноводных [269]. Заметим, что действие этих правил на­ кладывается на глобальный градиент тепловых условий и на природноклиматическую зональность.

Вопрос о том, какова роль тропических сообществ в процессах фауно- и флорогенеза, рассматривался С.В.Мейеном [144] в «бинар­ ном аспекте»: «тропики-музей» и «тропики-колыбель». На палеонто­ логическом материале С.В.Мейен дал веские аргументы в пользу вто­ рой точки зрения, образно назвав ее «экваториальная помпа»: тропи­ ческая биота — законодатель макроэволюции и, как подчеркивает Ю.И.Чернов [269, с. 1453], это «...вполне можно принять в качестве рабочей гипотезы».

Аксиома необратимости эволюции эволюционные процессы необратимы; популяция не может вернуться к состоянию, уже осуществленному в ряду ее «предков».

Интересный список общих закономерностей для действительно эво­ люционных процессов в геологическом масштабе времени недавно предложили А.С.Раутиан и В.В.Жерихин [195, с. 37—43]:

6. Эволюция сообществ организмов складывается из длительных периодов их направленной самоорганизации и кратких (в геологическом масштабе времени) экологических кризисов, сопровождающихся дест­ рукцией прежних сообществ (перемежающееся равновесие).

7. Применительно к сообществам справедливо важнейшее следст­ вие кибернетического принципа порогового реагирования У.Росс Эшби: дискретность есть выражение устойчивости; экологические сообщества — открытые системы с механизмами поддержания устой­ чивости, основанными на процессах саморегуляции; в этих условиях простейший природный регуляторный механизм — принцип «строп­ тивости» Ле Шаталье — Брауна (см. раздел 4.12) — заменяется более усложненным механизмом — принципом эволюции Пригожина — Гленсдорфа.

8. Филоценогенез прерывисто непрерывен («...прерывистость выражает устойчивость субъекта развития, преодоление пределов ко­ торой происходит как пороговая реакция, а градуальность — преемст­ венность сменяющих друг друга состояний в процессе развития»;

[195, с. 38]).

9. В основе всех типов саморегуляции лежит кибернетический принцип отрицательной обратной связи, который пригоден для ба­ лансовых соотношений в моделях функционирования экосистем и не подходит для описания эволюции сообществ.

10. Эволюция сообществ и биосферы в целом начинается тогда, ко­ гда мощности отрицательных обратных связей оказывается недостаточ­ но для погашения эффектов внешних воздействий и/или внутренних возмущений.

11. Явления резонанса всегда являются выражением положитель­ ных обратных связей, возникающих в эволюционирующем сообщест­ ве. Представляет интерес следствие из этой закономерности: исследо­ ватель должен вскрывать не только внешние (отрицательные связи), но и понять внутренние причины (положительные связи) наблюдае­ мых эффектов потери устойчивости живых систем.

12. Резонансные эффекты саморазрушения экологических сооб­ ществ ведут в эпохи экологических кризисов к массовому вымиранию организмов (прежде всего наиболее специализированных форм, участ­ вующих в выполнении наиболее уникальных функций в глобальных геохимических круговоротах, что, естественно, делает их «замену»

крайне сложной или даже невозможной задачей).

13. Резонансные эффекты, разрушая структуру сообществ в эпоху экологического кризиса, ослабляют биоценотические ограничения филоценогенеза и вызывают смену доминирующих групп организмов; в соответствии с гипотезой константности (см. раздел 4.12), а также если исходить из антропоцентрических позиций, будет идти процесс синантропизации.

14. Темп эволюционной адаптации человека как биологического ви­ да к новым, им же вызванным условиям жизни, не успевает за темпом перемен в окружающей его природной среде, что ведет к распаду нашей собственной адаптивной нормы и, как следствие, к экспоненциальному росту затрат на реабилитацию окружающей среды и на поддержку здо­ ровья населения.

15. Наконец, палеонтологическая реконструкция эволюционных процессов свидетельствует о том, что хотя экологические кризисы и кратки (в геологическом масштабе времени), последующие процес­ сы релаксации продолжительны даже по геологическим меркам.

Естественно, что закономерность № 10 в сочетании с эффектами по­ ложительных обратных связей (№ 6—8) явно не устраивает Homo sapiens. «Единственно реалистическая стратегия — врастание хозяйст­ венной деятельности человека в исторически сложившуюся биосферу»

[195, с. 43].

Завершим этот раздел словами С.С.Шварца [272, с. 13]: «Закономер­ ности, отражающие зависимость между динамикой структуры попу­ ляций и преобразованием их генетического состава, мы рассматриваем в качестве важнейшего фактора эволюционного процесса. Изучение этих закономерностей — одна из важнейших задач эволюционной эко­ логии (курсив автора.— Г.Р., Ф.Р.)».

4.12. Экология биосферы (энергетика, продуктивность) Понятия «биосфера» и «ноосфера» совершенно справедливо ассо­ циируются с именем выдающегося отечественного ученого В.И.Вер­ надского. «Биосфера — термин, введенный в науку В.И.Вернадским»

[67, с. 29]. Однако и тот, и другой термины были использованы, а не предложены В.И.Вернадским. «Величайшая заслуга Вернадского в том, что он, используя, по существу, весьма образную метафору, вложил в понятие "биосфера" совершенно новый смысл» [233, с. 6]. Понятие «ноосфера» введено французским философом Э.Леруа в 1927 г. и до В.И.Вернадского активно разрабатывалось П.Тейяром де Шарденом;

термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом Э.Зюсом* (Suess).

Геохронологическая шкала. История развития жизни на Земле под­ разделяется на 6 эр и 17 систем или периодов, охватывающих промежу­ ток времени в 3,5 млрд. лет. Свыше 3 млрд. лет назад, когда на Земле за­ родилась жизнь, атмосфера содержала в основном азот, аммиак, водород, окись углерода, метан, водяной пар, хлор, сероводород и другие газы, ядовитые для многих из живущих сейчас на Земле организмов; свобод­ ный кислород в ней отсутствовал. Таким образом, до тех пор, пока атмо­ сферного кислорода и озона (который является «экраном», защищающим от воздействия ультрафиолета) было мало, жизнь могла развиваться толь­ ко под защитой воды. Вероятно, первыми живыми организмами были дрожжеподобные одноклеточные анаэробы, получавшие энергию за счет брожения, «...их питание, по-видимому, зависело от медленно опускаю­ щихся на дно органических веществ, синтезируемых под действием ра­ диации в верхних слоях воды, куда не могли отважиться проникнуть эти голодные микробы!» [Одум, 175]. Эти представления соответствуют ге­ теротрофной теории возникновения жизни А.И.Опарина. Но следует отметить и точку зрения В.И.Вернадского [37]: «...среди миллионов видов нет ни одного, который мог бы исполнять один все геохимические функ­ ции жизни, существующие в биосфере изначала... первое появление жиз­ ни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-либо организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни».

В течение протерозоя первые организмы провели колоссальную био­ геохимическую работу, главным итогом которой стало накопление в атмо­ сфере кислорода. Важный этап в развитии органического мира — возник­ новение многоклеточности. Считается, что первые многоклеточные смог­ ли появиться (как? — это другой, специальный вопрос) после того, когда * А.Гумбольдт в 1845 г. в своем фундаментальном труде «Космос» однора­ зово использовал понятие «жизнесфера» [130, с. 14]. Заметим также, что вплот­ ную к понятию «биосфера» подошел французский географ Элизе Реклю (Reclus). Одна из основных его работ — 12-томный труд «Земля. Описание жизни земного шара» (1868—1872 гг.); в X томе этой работы, который называ­ ется «Жизнь на Земле», встречаем такие слова [200, с. 4, 6, 8]: «Вся совокуп­ ность живых существ на поверхности планеты образует как бы своего рода тон­ кую оболочку или покров;...мы должны признать, что жизнь на Земле едина Как бы далеко растения, животные и люди ни расходились друг от друга, как бы они ни различались своим видом и строением, все они все-таки прежде всего дети Земли. Их создала одна и та же почва, они дышат одним и тем же воздухом;

...царства растений и животных не стоят друг от друга отдельно, а находятся в тесной взаимной зависимости, образуя один общий мир органических су­ ществ, служащий прямым продолжением неорганического мира».

содержание кислорода в атмосфере достигло 0,6% (современный уровень — 20%). В эту эру биосфера «...охватила всю планету, и ее эволюция обу­ словила характер и направление эволюции отдельных видов» [103].

К началу девона потребление кислорода сравнялось с его образо­ ванием, содержание его в атмосфере стало близким к современному.

Но с середины девона и до конца палеозоя произошло заметное уменьшение содержания кислорода (может быть, в 4 раза) и повыше­ ние содержания углекислого газа. Все это сопровождалось глобаль­ ным изменением климата и привело к обширному «автотрофному цве­ тению», создавшему запасы ископаемого топлива. Затем последовало потепление, и соотношение O2/СO2 остается до сих пор в «...состо­ янии, которое можно назвать "колебательным стационарным состоя­ нием"» [Одум, 1975, с. 353].

Типы земного вещества. Еще в написанной в 1922 г. книге «Хи­ мическое строение биосферы Земли и ее окружения» [38] В.И.Вер­ надский выделил 7 типов земного вещества, из которых слагается био­ сфера; с учетом некоторых поправок эти типы представлены в табли­ це 2.23.

Характер Согласно расчетам (естественно, очень приблизительным; [103]), за всю историю Земли существовало в рамках живого вещества примерно 500 млн. видов организмов, сейчас на нашей планете насчитывается не менее 5 млн. видов (по другим данным — от 3 до 30 млн. видов; [342]);

иными словами, КПД эволюции биосферы мало отличается от 1%. По своей массе живое вещество составляет очень малую часть биосферы — равномерно распределенное по всей поверхности, оно покроет Землю слоем всего в 2 см. Но именно живому веществу, по В.И.Вернадскому, и принадлежит главная роль в формировании земной коры.

Биогенное вещество было создано в результате жизнедеятельно­ сти организмов (например, речной рак за 20 лет жизни сбрасывает панцирей); оно подразделяется на необиогенное вещество, образо­ ванное существующим в настоящий момент живым веществом, и палеобиогенное вещество, сохранившееся в составе горных пород («жизнь, превращенная в камень»). В 1997 г. вновь вспыхнул интерес к биогенному веществу внеземного происхождения; одной из пер­ вых публикаций, в которой были описаны необычные микроскопиче­ ские образования, встречающиеся в метеоритах, была статья в журна­ ле «Nature» в 1961 г. (см. также статью С.И.Жмур и др. в журнале «Природа», 1997, № 8 [84]). Думается, что становление и развитие ас­ тробиологии принесет еще много открытий, способных поколебать и перевернуть наши представления о процессах возникновения жизни на Земле...

Примером абиогенного вещества земного происхождения могут служить продукты вулканизма и газы, выделяющиеся из недр Земли.

По современным оценкам [130, с. 44], ежегодный «...приход абиоген­ ного вещества в биосферу составляет около 3 млрд. т в год».

Метеориты, о которых слышали все,— это пример абиогенного вещества внеземного происхождения. Однако явление это весьма редкое*. Основная составляющая абиогенного вещества внеземного происхождения — это метеоритная пыль, приход которой на Землю оценивается величиной 10 4 —10 6 т/год. Это немного, но за 4,5 млрд.

лет существования Земли «космической пыли» на ней накопилось сотни метров (правда, она перемешалась с компонентами земного ве­ щества).

Но вернемся к характеристике живого вещества биосферы. Обнов­ ление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется в сред­ нем за 8 лет. При этом вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества про­ исходит во много раз быстрее: вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, в то время как фитомасса океана — каждый день! Процесс * По данным А.В.Лапо [130, с. 66], с XV века до наших дней наблюдалось и было найдено всего лишь несколько сотен метеоритов; «..попаданий в человека было только 5 — по одному за век, убитых — 1. Последнее попадание про­ изошло, видимо, 30 ноября 1954 г. Четырехкилограммовый метеорит пробил крышу дома и потолок, отскочил от радиоприемника и ударил по ноге хозяйку дома, отдыхавшую после ленча. Так вошла в историю человечества миссис Ходжес из Силакоги, штат Алабама, США...».

полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмо­ сфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углеки­ слого газа — за 6,3 года. Эти цифры показывают, что геохимический эффект деятельности живого вещества в биосфере проявляется в те­ чение не только геологического времени (миллионы и миллиарды лет), но и в пределах времени исторического (тысячи лет и менее;

[130, с. 23]).

В зависимости от занимаемой площади В.И.Вернадский [36] разли­ чал (табл. 2.24) жизненные пленки (прослеживаются на огромных рас­ стояниях — планктонные сообщества поверхности океана) и сгущения жизни (более локальные скопления — например, Саргассово море, впервые описанное Х.Колумбом 21 октября 1492 г.).

Классификация форм концентрации жизни в биосфере Жизненные пленки Зона разряжения живого вещества Представленные далее основные типы биомов не требуют подроб­ ного комментирования. Особо рассмотрим только сравнительно новые абиссальные рифтовые сообщества, открытие которых в 1977 г. су­ щественно изменило представление о путях формирования биосферы (см. далее: гипотеза абиссальных сгущений жизни).

Рассмотрим «теоретические конструкции» данной концепции (рис. 2.48).

Концепция биосферы (Вернадский, [36]) — представление о самой крупной экосистеме как о взаимосвязанном единстве живого, биоген­ ного, биокосного и косного веществ. Самая существенная особенность биосферы — биогенная миграция атомов химических элементов (см.

далее: аксиома биогенной миграции атомов).

Рис. 2.48. Экология биосферы (энергетика, продуктивность) глубоководная (свыше 2 000 м) зона Мирового океана, характеризуемая постоянной температурой (ниже 2°С) и бедностью животного мира.

Сгущения жизни на этой огромной по территории, в этой считавшейся совершенно бесплодной зоне были открыты* 15 февраля 1977 г., когда американский подводный аппарат «Алвин», с помощью которого про­ водились исследования гидротермальных источников рифтов (зон раздвижения земной коры), в районе Галапагосских островов достиг дна Тихого океана на глубине 2 540 м.

Откуда в царстве вечного мрака на глубине более 2 500 км взялось такое буйство жизни? Ответ оказался прост и неожидан. Трофическую нишу фотоавтотрофов, которые, естественно, не могли существовать в этих условиях, заняли хемоавтотрофные микроорганизмы. Гидротер­ мальные источники несут эндогенный сероводород (обязанный своим происхождением глубинным геологическим процессам), который ис­ пользуют большинство хемоавтотрофов. Таким образом, происходит замена солнечной энергии на эндогенную — это главная особенность абиссальных сообществ.

Другими особенностями этих сообществ являются [130]:

• широкое распространение симбиотрофных организмов;

• уникальное своеобразие органического мира каждого из сообществ;

• гигантизм обитателей абиссальных сообществ (рифтии — пред­ ставители новооткрытого рода погонофор — червеобразные животные до 1,5 м (длина обычных погонофор не превышает 10 см), раковина двустворчатых моллюсков достигает 25—30 см в поперечнике, даже бактерии достигают здесь величины 0,11 мм — неслыханный размер для организмов этого подцарства.

Абиссальные сгущения жизни играют в биосфере особую роль, и их следует рассматривать как возможный новый источник жизни в случае прекращения ее на основе фотосинтеза.

Гипотеза Геомериды Беклемишева — одна из первых гипотез теоретической глобальной экологии. Геомерида — весь живой покров * Вот как описывает это событие один из его участников Дж.М.Эдмонд (Edmond): «Типичный базальтовый ландшафт выглядел довольно уныло: монотонные поля бурых "подушек" (излившаяся под водой лава.— Г.Р., Ф.Р.) разбиты много­ численными трещинами; на площади в несколько квадратных метров не всегда можно было увидеть живое существо... Но здесь мы оказались в оазисе. Рифы из мидий и целые поля гигантских двустворок, крабы, актинии и крупные рыбы, казалось, купались в мерцающей воде... Мы наткнулись на поле горячих источни­ ков. Внутри круга диаметром около 100 м теплая вода струилась из каждой рассе­ лины, каждого отверстия в морском дне» (цит. по: [130]; см. также фотографии в журнале «Природа». 1985. № 8).

Земли, рассматриваемый как целостная иерархическая система, мил­ лионы лет пребывающая в состоянии динамического устойчивого рав­ новесия. Если биосфера — высший биотоп, то Геомерида — высший биоценоз. Гипотеза предложена в 1931 г. В.Н.Беклемишевым.

Гипотеза Геи Лавлока — Маргулис — представление о биоло­ гическом «контроле» на биосферном уровне факторов абиотической среды, а также о существовании сложной, живой, саморегулирующейся системы поддержания на Земле условий, благоприятных для жизни.

Атмосфера Земли, создающая стабильные и благоприятные условия для жизни, сама пребывает в крайне неустойчивом с точки зрения законов химического равновесия состоянии: ее равновесие поддерживается са­ мой жизнью, которая ранее создала современную атмосферу (см. об этом выше). Гипотеза Геи была предложена английским химиком Дж.Лавлоком (Lovelock) и американским микробиологом Л.Маргулис (Margulis) в 1975 г.; у нас в стране представления о биологической регу­ ляции окружающей среды в эти же годы развивает В.Г.Горшков [61, 62, 64]. Проблемы гомеостаза на уровне популяций, сообществ и биосферы в целом являлись предметом рассмотрения и исследователя И.А.Ши­ лова [277, 278, 279, 280, 281].

На рис. 2.49 представлены данные о связи в ходе эволюции первичной продукции биосферы и содержания в ней кислорода [175, с. 352].

Рис. 2.49. Связь в ходе эволюции первичной продукции 1 — возникновение многоклеточных организмов, 2 — формирование запасов ископаемого топлива Рассматривая гипотезу Геи с биологической точки зрения, Линн Маргулис* предположила, что жизнь на Земле представляет собой «сеть обратных связей», позволяющих планете выступать в качестве саморе­ гулирующейся и самовоспроизводящейся системы. Особая роль при этом отводится процессам симбиоза организмов. В пользу гипотезы Геи свидетельствуют данные, приведенные в таблице 2.25 [см.: 176, т. 1, с. 37].

Сравнительный состав атмосферы и температурных условий на некоторых планетах Солнечной системы Содержание газов в атмосфере, % Анализ данных этой таблицы говорит о том, что представления о чисто случайном возникновении атмосферы при взаимодействии фи­ зических факторов маловероятны. «Вероятнее всего, что именно орга­ низмы играли основную роль в развитии и регуляции геохимической среды, благоприятной для них. Дж.Лавлок и Л.Маргулис рассматри­ вают сложную сеть микроорганизмов "коричневого пояса" как тонкую регулирующую систему, функционирующую по принципу хемостата и несколько напоминающую систему кондиционирования, которая под­ держивает пригодные для жизни условия в небоскребе. Эта регули­ рующая система ("Гея") делает Землю сложной, но единой кибернети­ ческой системой... Лавлок согласен, что "поиски Геи" могут быть дол­ гими и трудными, поскольку в интегрированном механизме регуляции такого масштаба должны участвовать сотни разных процессов» [176, т. 1,с. 37].

Заметим, что отечественные специалисты (М.И.Будыко, Г.А.Заварзин и др.) не склонны принимать эту гипотезу, считая, в противоположность * Заметим, что именно Л.Маргулис была первой, кто еще в 60-х гг. прошло­ го века предположил, что эукариотические клетки появились в результате сим­ биоза простых прокариотических клеток (таких как бактерии). Сегодня эти представления уже не выглядят так убедительно и критикуются [285]. В частно­ сти, симбиогенетическое происхождение эукариот не объясняет сохранения индивидуальности отдельных симбионтов (примером могут служить лишайни­ ки), а также «запрета» на увеличение размеров прокариот, слабой проницаемо­ сти мембран для симбионтов и пр.

мнению Дж.Лавлока и Л.Маргулис, что допускаемое ими относительное постоянство климата и характер изменений атмосферы — явления ма­ ловероятные.

Гипотеза биотической регуляции ставления о биотическом механизме регуляции окружающей среды на основе высокой степени замкнутости круговорота углерода, разрабаты­ вавшиеся с начала 80-х гг. прошлого века биофизиком В.Г.Горшковым.

«Потоки синтеза и разложения органических веществ совпадают с точ­ ностью 10-4 и скоррелированы с точностью 10 -7. Отношение потока от­ ложения органического углерода к потоку его синтеза характеризует разомкнутость круговорота веществ. Естественная разомкнутость, та­ ким образом, имеет положительное значение порядка 10-4, которое под­ держивается с относительной точностью порядка 10-3. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает на­ личие биологической регуляции окружающей среды (курсив наш.— Г.Р., Ф.Р.), ибо случайная связь величин с такой точностью в течение мил­ лионов лет невероятна» [64, с. 1016].

Эти процессы синтеза и распада могут совпадать со столь высокой точностью только в условиях отсутствия значимых флуктуации этих потоков. Именно этот факт с учетом рассматриваемого ниже правила десяти процентов (переход энергии по трофической пирамиде) позво­ лил В.Г.Горшкову предложить свое правило одного процента для оценки глобальной стабилизации окружающей среды (см. об этом да­ лее).

представление о потоке энергии через продуценты к консументам и редуцентам с падением величины потока на каждом трофическом уровне (в результате процессов жизнедеятельности). Поскольку в об­ ратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество от исходной энергии (не более 0,25%), говорить о «кру­ говороте энергии» нельзя. Данная гипотеза представляет собой «эко­ логическую интерпретацию» второго начала термодинамики: любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло — в форму энер­ гии, наименее пригодную для превращения в работу и наиболее легко рассеивающуюся.

Именно гипотеза однонаправленности потока энергии выступает в качестве ограничителя прямых аналогий и оценок в «экологической валюте» эколого-экономических систем (деньги циркулируют, а при обмене деньги и энергия движутся в противоположных направлениях) — на это указывает Говард Одум [177].

Гипотеза константности го вещества биосферы для данного геологического периода есть вели­ чина постоянная (оценки биомассы организмов Земли; табл. 2.26).

Тонны 2,4 •1012 0,02-•1012 2,42 •1012 0,02 •10 0,3 •1010 0,32 •1010 2,4232 • сухого в-ва Согласно этой гипотезе, любое изменение количества живого веще­ ства в одном из регионов биосферы должно быть компенсировано в ка­ ком-либо другом регионе. Правда, в соответствии с постулатами видо­ вого обеднения (см. раздел 4.6), высокоразвитые виды и экосистемы чаще всего будут заменяться эволюционно (сукцессионно) объектами более низкого уровня. Кроме того, в соответствии с разными типами эколого-ценотических стратегий (см. раздел 4.2), будет происходить процесс рудерализации видового состава экосистем, и «полезные» для человека виды будут замещаться менее полезными, нейтральными или даже вредными. Примером может служить изменение процентного со­ отношения вылова разных видов рыб в Волжском бассейне за послед­ ние 50 лет (табл. 2.27).

Процентное соотношение промыслового вылова рыб в Куйбышевском водохранилище [133; 214] кертона: в «соперничестве» с другими экологическими объектами вы­ живают (сохраняются) те из них, которые наилучшим образом способ­ ствуют поступлению энергии и используют максимальное ее количест­ во наиболее эффективным способом. «С этой целью система:

• создает накопители (хранилища.— Г.Р., Ф.Р.) высококачествен­ ной энергии;

• затрачивает {определенное количество.— Г.Р., Ф.Р.) накоплен­ ной энергии на обеспечение поступления новой энергии;

• обеспечивает кругооборот различных веществ;

• создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям;

• налаживает с другими системами обмен, необходимый для обес­ печения потребности в энергии специальных видов» [177, с. 72—73].

Следует заметить, что этот принцип справедлив и в отношении ин­ формации, а вот максимальное поступление вещества как такового не гарантирует успеха экологическому объекту в конкурентной борьбе с другими аналогичными объектами.

Принцип Ле Шаталье — Брауна: при внешнем воздейст­ вии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равнове­ сие смещается в том направлении, в котором эффект внешнего воздейст­ вия ослабляется. При этом чем больше отклонение от состояния экологи­ ческого равновесия, тем значительнее должны быть энергетические за­ траты на ослабление противодействия экосистем этому отклонению.

По-видимому, одними из первых применили на уровне аутэкологии принцип Ле Шаталье — Брауна (Le Chatelier, Brown), представляющего собой удачное толкование третьего закона Ньютона, американский физио­ лог Ф.Пайк [Pike, 350], а на уровне экологии сообществ — Д.Н.Кашкаров [107].

Этот принцип применим в рамках классической физики для описа­ ния процессов в закрытых системах (не получающих энергии извне);

этот факт следует учитывать при интерпретации получаемых результа­ тов (соответствующие ограничения на структуру и динамику описывае­ мых систем); так как экосистемы — принципиально открытые систе­ мы (обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой), то для их описания более корректны представления теории не­ линейных необратимых процессов.

Онсагера. Этот принцип обсуждался Л.Онсагером (Onsager) в 1931 г. и был развит в работах И.Пригожина (Prigogine) 1947 г., а также в его рабо­ тах 60—80-х гг. «Здесь мы подходим к одному из наших главных выводов:

на всех уровнях, будь то уровень макроскопической физики, уровень флуктуации или микроскопический уровень, источником порядка явля­ ется неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает "по­ рядок из хаоса" (курсив авторов.— Г.Р., Ф.Р.)... Если устойчивые систе­ мы ассоциируются с понятием детерминистического, симметричного вре­ мени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим» [182, с. 357, 255—256].

Перейдя границу устойчивости, система попадает в критическое со­ стояние, называемое точкой бифуркации. В этой точке даже небольшая флуктуация может вывести систему на иной путь эволюции и резко изме­ нить ее структуру и поведение. Таким образом, случайность и необхо­ димость дополняют друг друга, определяя судьбу открытой системы.

В таблице 2.28 сравниваются особенности поведения открытых (неравно­ весных) и закрытых (равновесных) систем, а рис. 2.50 позволяет срав­ нить их траектории (xt).

Система «адаптируется» к внешним условиям, изменяя свою структуру Наличие большого числа стационарных состояний Высокая чувствительность к случайным флуктуациям Неравновесность — источник порядка Элементы системы ведут себя (все элементы системы действуют независимо друг от друга согласованно) и сложности Фундаментальная неопределенность (непредсказуемость) поведения системы определенное Рис. 2.50. Фазовое пространство для состояний со слабой устойчивостью (а), детерминированных состояний (b) и Таким образом, для закрытых систем общим принципом является вто­ рое начало термодинамики, для открытых — принцип Пригожина — Онсагера. Класс закрытых (консервативных) систем весьма узок по сравне­ нию с более широким классом диссипативных систем. Однако класс сильно диссипативных процессов (для поддержания которых требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур) также весьма узок по сравнению с классом промежуточных процессов. Так, принцип Пригожина — Онсагера не описывает колебательные процессы.

Иными словами, каждый из используемых «по аналогии» принципов «строгой физики» имеет свою, вполне конкретную область примене­ ния, в которой он конструктивен. Это следует обязательно помнить, «перенося» на экологию представления смежных (и несмежных) дис­ циплин.

Интересно, что данный принцип неравновесной динамики сто­ ронниками классического термодинамического подхода (их называют еще креационистами) принимается «в штыки» — здесь легко про­ сматривается аналогия дискуссии «редукционизм — системный под­ ход» (см. раздел 2.7) со сходными позициями непримиримости одних и демократичности других. Креационисты считают, что никакой аль­ тернативы термодинамике просто не может быть. Но тогда справедлив вопрос «с философским оттенком»: вся эволюция биосферы — это «...тормозящийся и флуктуирующий, но неотвратимый спад в океан энтропии или трудное и геологически длительное всплывание из этого океана по пути минимального производства энтропии и создания тем самым все большего количества порядка, структурированности и, по­ зволим себе сказать, красоты, обычно именуемой негэнтропией?»

[239, с. 136]. Сам И.Пригожин отвечает так: «Вопрос о том, что фи­ зически реализуемо и что нереализуемо, эмпирический» (выделено нами — Г.Р., Ф.Р.; курсив автора — Г.Р., Ф.Р.) [182]. И здесь следует помнить, что состояния физических и биологических систем качест­ венно различны и несводимы друг к другу. В известной степени, ре­ шающую роль в этом, играет принцип Реди*: «все живое происходит только от живого» (отпе vivum e vivo). Для экологических систем (см.

рис. 2.50) физический детерминированный мир Лапласа (переход из состояния x0 в состояние xt по одной траектории) является «погранич­ ным» (по терминологии И.Пригожина, имеет место «энтропийный барьер»). Две другие ситуации могут быть реализованы в экосистемах при определенных соотношениях факторов среды (например, гипотезы моноклимакса [Е < 0] и климакс-мозаики [Е > 0]; см. раздел 4.10, рис. 2.44).

Пусть физики решают свои проблемы, но с точки зрения экологов второй вариант («всплывание») выглядит более приемлемой теорети­ ческой схемой. Косвенным подтверждением тому является рост био­ разнообразия (рис. 2.51), нарастание совершенства организации живых существ и пр.

* Принцип назван в честь флорентийского натуралиста, врача и поэта Ф.Реди, который в 1668 г. в «Опытах о размножении насекомых» эксперимен­ тально доказал, что черви в мясе — это не что иное, как личинки мух.

Рис. 2.51. Увеличение биоразнообразия [239, с. 136] Интересно, что Рамон Маргалеф [140, с. 30] видит «противостояние классической и неклассической термодинамики» в ответе на вопрос:

«...образуется ли нечто новое при переходе от процесса к структуре?»

И тот же вопрос, но в более общей, философской форме: «Но если дей­ ствительную сложность экосистем или социальных структур человече­ ства невозможно легко вывести из порождающих процессов и если та­ кая сложность важна, то что можно ожидать от научного подхода к изучению систем, имеющих историю?».

Система (принцип) биомов. Широкое применение имеет классифи­ кация по биомам, основанная на типах растительности и основных ста­ бильных физических чертах климата и ландшафта [Walter, 370; 201; 249;

30; 176]. Дня каждого биома характерна определенная жизненная форма климатической климаксовой растительности (например, для степного биома — злаки). Сам термин «биом» был введен в 1916 г. Ф.Клементсом (Clements). Всего было выделено более 40 биомов (табл. 2.29).

отсутствует Влажные тропики (широколиственные вечнозеленые леса, тропические дождевые леса) Горные местообитания в тропиках + Тропические широколиственные леса из невысоких деревьев (бразильские церрадо) листопадные леса Тропическая саванна Субтропические пустыни умеренных областей Чапарраль Дождевые леса умеренной зоны Листопадные леса умеренной зоны зоны Редколесья умеренной зоны Кустарники умеренной зоны вельды, американские пампасы) Пустыни теплого климата Холодные полупустыни Аркто-альпийские полупустыни Аркто-альпийские пустыни в условиях крайне холодного климата Гигрофитные сообщества (болота) Пресноводные местообитания:

Горные местообитания умеренной зоны Альпийские кустарники Альпийские луга Хвойные леса умеренной зоны Северные хвойные леса Арктическая тундра На границе суши и моря:

Морская среда:

поверхностная пелагиаль глубоководная пелагиаль Бентос континентального шельфа Бентос океанических глубоководий Коралловые рифы Абиссальные сгущения жизни (еще не включены в число биомов) Биогеохимические принципы рованные В.И.Вернадским три основных положения, звучащие сле­ дующим образом.

Первый принцип. «Биогенная миграция атомов химических элемен­ тов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению»

[38, с. 283]. Фактически этот принцип связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. Форма­ лизацией этого принципа могут служить модели, описанные в разделе 4.2: модели экспоненциального, логистического роста и др.

Второй принцип. «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы»

[38, с. 286]. Иллюстрацией этого принципа могут служить данные В.А.Ковды [112], который проанализировал более 1 300 образцов золы современных высших растений и показал, что зольность растений воз­ растает от представителей древних таксонов к более молодым. Иными словами, в ходе эволюции растения активно вовлекают новые мине­ ральные вещества в биогеохимический круговорот.

Третий принцип. «В течение всего геологического времени, с криптозоя (эон, объединяющий катархеискую, архейскую и протерозойскую эры; то же, что и докембрий.— Г.Р., Ф.Р.), заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало» [40, с. 260]. Этот принцип связан «...со "всеюдностью" или "давлением" жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный за­ хват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов» [130, с. 157].

Можно констатировать, что биогеохимические принципы Вернад­ ского направлены на увеличение КПД биосферы в целом.

Закон пирамиды чисел Элтона: число индивидуумов в по­ следовательности трофических уровней убывает и формирует пирамиду чисел. Однако возможны исключения из этого закона: например, тысячи насекомых могут питаться одним деревом. Закон предложен Ч.Элтоном (Elton) в 1927 г.

Закон пирамиды биомасс. Пирамиды биомасс представляют более фундаментальный интерес, так как они дают «...картину общего влияния отношений в пищевой цепи на экологическую группу как на целое» [175].

Закон пирамиды продуктивности пирамида, чем пирамида чисел или пирамида биомасс, которая в значи­ тельно большей степени отражает последовательность трофических уровней. Отношение каждого уровня пирамиды продуктивности к рас­ положенному ниже уровню интерпретируется как эффективность.

Примеры пирамид разных типов приведены на рис. 2.52, многочислен­ ные примеры «переворота» пирамид приводят Ю.Одум [175] и Р.Риклефс [201].

Рис. 2.52. Три типа экологических пирамид для пищевой цепи «люцерна — теленок — мальчик» [175, с. 107];

а — пирамида чисел, b — пирамида биомасс, с — пирамида продукции Экологические пирамиды как своеобразный вид диаграмм хорошо иллюстрируют количественные соотношения в отдельных звеньях эко­ систем (таких как «паразит — хозяин» и «хищник — жертва»). Правда, для системы «паразит — хозяин» пирамида численности обычно бывает перевернутой.

Закон торможения развития:

тенциальных темпов развития системы возникают максимальные тор­ мозящие эффекты (следствие из принципа Ле Шаталье — Брауна).

Модели круговорота веществ в рые в достаточной степени упрощенные представления о циркуляции основных химических элементов и веществ в биосфере по характер­ ным путям из внешней среды в организмы и назад во внешнюю среду.

Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути и называют био­ геохимическими круговоротами. «Под биологическим круговоротом понимается поступление (химических.— Г.Р., Ф.Р.) элементов из почвы и атмосферы в живые организмы; превращение в них поступающих эле­ ментов в новые сложные соединения и возвращение их в почву и атмо­ сферу (и в воду.— Г.Р., Ф.Р.) в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими орга­ низмами, входящими в состав биогеоценоза» [202].

Очень наглядный пример чисто физического круговорота веществ приводит Р.Уиттекер [249, с. 306—307]: «Пути передвижения пита­ тельных веществ через лабиринт поверхностных и глубоководных те­ чений океанов сложны и разнообразны, но мы можем построить в ка­ честве примера модель предполагаемого пути атома калия: от при­ брежных вод Новой Англии в северную оконечность Гольфстрима;

через северную Атлантику до Исландии; совместно с холодными арк­ тическими водами переход с поверхности в глубь атлантических дви­ жущихся к югу глубинных вод; через экватор к Антарктическому океану и назад в места подъема антарктических глубинных вод к по­ верхности, к востоку вместе с Западным ветровым дрейфом, минуя Индийский океан, через Тихий океан к Южной Америке; к северу с Перуанским течением вдоль побережья и по кривой в экваториальное течение южной части Тихого океана; на запад с этим течением и по дуге великого Южно-Тихоокеанского кругового течения мимо Новой Зеландии к району антарктической конвергенции; вниз, в глубоково­ дья, смещаемые к северу под поверхностной циркуляцией вод Тихого океана; через экватор к Беренговому морю; через Беренгов пролив в Северный Ледовитый океан и через последнюю циркуляцию в течение вдоль восточного побережья Гренландии, затем в южные воды Лабра­ дорского течения и, наконец, в воды морских провинций Канады и Новой Англии. Здесь атом калия может быть вновь отнесен на конти­ нент северо-восточными ветрами. Такое путешествие без серьезных задержек в пути может длиться 1000 лет».

Подробные описания круговорота тех или иных элементов и ве­ ществ можно найти в каждом учебнике по экологии. Здесь приведем в качестве примера лишь глобальные циклы воды и углерода (рис. 2. и 2.54). Сразу отметим, что у разных авторов при общем сходстве схе­ мы круговорота отмечается различие в конкретных цифрах, что для биосферного уровня исследований вполне объяснимо масштабностью биосферы и сложностью получения «валовых показателей».

Рис. 2.53. Круговорот воды (1020 г/год; Одум [175, с. 127]) «Биогеохимический круговорот и биогеохимические связи суши, моря, атмосферы, почвы, пресных вод и организмов весьма сложны.

Каждый элемент или вещество имеет свою собственную структуру био­ геохимического круговорота, отличающегося, по крайней мере в количе­ ственных деталях, от циркуляции всех других элементов. Все эти циклы, дополняемые циклами воздуха и воды, которые являются важной состав­ ной частью механизмов круговорота веществ, дают основание говорить о том, что локальные экосистемы земного шара образуют вместе единую мировую экосистему — биосферу... Человек является частью мировой экосистемы, и ее среда — это среда человека» [249, с. 312].

Рис. 2.54. Круговорот двуокиси углерода (1015 г; Одум [176, т. 1, с. 226]) биосфере {биогеохимических циклов)— модели для описания измене­ ний компонент экосистем под воздействием антропогенных факторов в масштабе биосферы. Одной из первых глобальных моделей изменения биосферы, атмосферы и климата была модель В.А.Костицына [119].

В апреле 1968 г. в Риме по инициативе предпринимателя — одного из экономических директоров компании «Фиат» — Аурелио Печчеи (Peccei) собралась группа из 30 специалистов (естественники, матема­ тики, экономисты, социологи, промышленники) из десяти стран с целью выработать стратегию человечества по предотвращению глобального эколого-экономического кризиса. Эта группа получила название «Рим­ ский клуб».

Методологической основой построения прогнозов в глобальном масштабе стали методы математического моделирования, прежде всего методы системной динамики Джея Форрестера [Forrester, 310] — осо­ бенно его первый опыт глобального имитационного моделирования, обобщенный в монографии «Мировая динамика» (1971). По одному из рассмотренных сценариев (при сохранении тенденций развития конца 60-х гг. прошлого века) численность населения Земли к 2030-2050 гг.

должна достигнуть 6,5 млрд., после чего в результате истощения при­ родных ресурсов, загрязнения окружающей природной среды и ряда других необратимых изменений она за 2 0 - 3 0 лет должна сократиться до 1,5-2 млрд., что интерпретировалось как «эколого-демографическая катастрофа». Уже сегодня ясно, что этот «отрицательный прогноз»

Форрестера не сбывается, но сами методы моделирования оказались чрезвычайно плодотворными.

По словам Э.Ласло [Laslo, 334, с. 127], «главным образом благодаря усилиям Римского клуба быстро возросла международная осведомлен­ ность о мировой проблематике. Если продолжить аналогию с медици­ ной, то можно сказать, что Клуб первым перешел от "постановки диаг­ ноза" (Медоуз, Месарович, Пестель) к "предписанию определенных средств" (Тинберген, Ласло и другие доклады). Но (не в укор героичес­ ким усилиям группы Аурелио Печчеи) в области терапии было достиг­ нуто сравнительно мало. Используя другую метафору, можно сказать, что Клуб помог наметить путь, но мало сделал, чтобы возникло желание следовать по этому пути. Если верна пословица, что где хотение, там и умение, то телега оказалась впереди лошади...».

Версия глобальной модели биосферы, названная «Системой Геи», была создана в ВЦ АН СССР в конце 70-х — начале 80-х гг. прошлого века под руководством Н.Н.Моисеева. Это одна из самых «экологичных»

имитационных моделей глобального уровня. В частности, с ее помощью был проанализирован сценарий «локального ядерного конфликта», описан эффект «ядерной зимы» (рис. 2.55) и дан прогноз глобальных измене­ ний в биосфере.

Рис. 2.55. Иллюстрация эффекта «ядерной зимы» (температура указана для поверхности почвы, средних и верхних слоев атмосферы); рисунок был предложен Ю.М.Свирежевым на конференции «Математическое моделирование в биогеоценологии» (г.Петрозаводск, 1985 г.) Аксиома экологической аккумуляции энергии:

проходящей через экосистему энергии накапливается и временно «вы­ ключается» из общего энергетического потока.

Аксиома биогенной миграции атомов Вернадского — аксиома, согласно которой миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется или непосредственно при уча­ стии живого вещества, или протекает в среде, геохимические свойства которой обусловлены живым веществом (как современным, так и «дей­ ствовавшим» на Земле в течение всей геологической истории).

«Земная оболочка биосферы, обнимающая весь земной шар, имеет резко обособленные размеры; в значительной мере она обусловливает­ ся существованием в ней живого вещества — им заселена. Между ее косной безжизненной частью, ее косными природными телами и жи­ выми веществами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени вы­ ражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устой­ чивости равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биоген­ ный ток атомов в значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергии проявляется резко планетное, кос­ мическое значение живого вещества. Ибо биосфера является той един­ ственной земной оболочкой, в которую непрерывно проникают кос­ мическая энергия, космические излучения и прежде всего лучеиспус­ кание Солнца, поддерживающее динамическое равновесие, организо­ ванность: биосфера — живое вещество (курсив автора.— Г.Р., Ф.Р.)»

[39, с. 15].

Постулат максимума биогенной энергии Вернадского — Бауэра:

любая экосистема, находясь в состоянии «устойчивого неравнове­ сия» (т.е. динамического подвижного равновесия с окружающей сре­ дой) и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду.

Правила Бейеринка — два правила, сформулированные гол­ ландским микробиологом М.Бейеринком (Bejerinck) в 1921 г.: все есть всюду (бактерии — жизненная пленка — развиваются повсюду, где есть условия для их существования; А.В.Лапо [130, с. 66] пишет, что «...жизнеспособные бактерии были найдены даже на Луне, куда они были занесены за несколько лет до этого каким-то ранее прибыв­ шим с Земли космическим аппаратом»), и среда отбирает (изучаются организмы, которые «отобраны средой» либо потому, что в данных условиях могут развиваться только эти организмы, либо потому, что они побеждают своих конкурентов). Первое из этих правил перекли­ кается с правилом обязательности заполнения экологических ниш (см.

раздел 4.5), второе — с гипотезой абиотической регуляции численно­ сти популяции (см. раздел 4.4).

ского — Линдемана) — среднемаксимальный переход 10% энергии (или вещества в энергетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, как правило, не ведет к неблагоприятным последствиям для экосистемы в целом и для те­ ряющего энергию трофического уровня. Рис. 2.56 иллюстрирует данное правило: в цепочке «первичная продукция — зоопланктон — рыба — человек» на каждый следующий трофический уровень переходит при­ мерно 10% энергии предыдущего уровня.

Пищевая пирамида из пяти уровней дает только 10-5 первичной про­ дукции. Таким образом, верхний уровень пирамиды (чаще всего это крупные хищники) может поддерживаться только при эксплуатации очень обширных территорий — «...популяция тигров не может существо­ вать на очень маленьком острове» [140]. Интересный образец достаточно длинной пищевой цепи (семь уровней) приводит на примере спермацето­ вых китов Рамон Маргалеф — в страцифицированных и гетерогенных условиях обитания киты знают, как определять местонахождение круп­ ных кальмаров, те, в свою очередь знают, как добывать себе пищу и т.д.

Рис. 2.56. Схема пищевой сети Северного моря;

показаны количества энергии, переносимой по пастбищной (а) Правило одного процента Горшкова: изменение энергетики при­ родной системы на 1%, как правило, выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Пример такой ситуации показан на рис. 2.57. Правило было сформулировано В.Г.Горшковым в 1985 г.

Рис. 2.57. Естественное (сплошная линия) и антропогенно измененное (пунктирная линия) распределение деструкции органического вещества в биосфере в зависимости от размера тела организмов «В настоящее время с повышением антропогенной доли потребления до 7% биосфера и окружающая среда утратили стационарность», — от­ мечает В.Г.Горшков [64, с. 1018].

Следует заметить, что под правилом одного процента иногда пони­ мается эффективность превращения путем фотосинтеза энергии Солнца в энергию пищи в соответствии с первым и вторым законами термоди­ намики. В этом контексте интересно и такое определение экологии, приведенное Ю.Одумом [175, с. 29]: «Экология, по сути дела, изучает связь между светом и экологическими системами и способы превраще­ ния энергии внутри системы».

Правило «трех третей» — правило стратегического соотношения условий для экологии человека (на глобальном, региональном и локаль­ ном уровнях): треть территории должна быть занята заповедной дикой природой (ЗТ); треть — допускать ограниченное хозяйственное исполь­ зование (ОТ) с сохранением естественного ландшафта; треть — подвер­ гаться окультуриванию (агроэкосистемы, дороги, города, карьеры и пр.

— РТ). Заметим, что А.Д.Сахаров в футурологической работе «Мир через полвека», написанной 17 мая 1974 г. [222], предлагал различать в индустриальном мире два типа территорий — рабочие (РТ) и запо­ ведные (ЗТ), причем их соотношение для оптимального равновесного состояния Земли должно быть РТ : ЗТ = 3 : 8. Ландшафтовед Д.Л.Арманд [7, с. 259-260] предлагал противоположный вариант — ЗТ : ОТ : РТ = 1 : 9 : 90. Думается, что истина, как ей и положено, нахо­ дится где-то близко к «середине», и правилом должно быть соотношение Пропорция (уравнение) Рэдфилда.

важнейших элементов в биосфере имеет следующий вид:

Это соотношение выведено А.Рэдфилдом (Redfield, 1958) и хорошо соответствует, главным образом, планктонным сообществам [140, с. 34].

«Одним из результатов продолжительной деятельности организмов яв­ ляется сопоставимость отношения N : Р в окружающей среде и в орга­ низмах» [140, с. 35]. Локальные отклонения от этих соотношений ока­ зываются весьма чувствительными для экосистем, но сглаживаются деятельностью биосферы в целом.

1. Что такое «система» и «сложная система»?

2. Раскройте основы системологии. Что такое «редукционизм» и «холистизм» применительно к современной экологии?

3. Назовите основные понятия системной экологии.

4. Дайте определения основным разделам современной экологии — от факториальной до биосферной.

Часть II

ПРИКЛАДНАЯ

ЭКОЛОГИЯ

Раздел 3. ИНЖЕНЕРИЯ И КАЧЕСТВО СРЕДЫ Инженерия и качество среды. Инженерная экология.

Тема 5. ИНЖЕНЕРИЯ И КАЧЕСТВО СРЕДЫ.

ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

В практику современных научных исследований уже прочно вошли такие направления, как «математическая генетика», «биологическая физика», «физическая химия», «математическая лингвистика», «инже­ нерная психология», «генная инженерия» и др. И это неудивительно — наше время характеризуется процессом интеграции научного знания и его обогащения путем «скрещивания» различных научных направлений.

Как справедливо отмечал известный американский эколог Р.Акофф [3, с. 70], «...мы должны отказаться от мысли, будто природа разделена на факультеты подобно университетам. Разделение труда по дисциплинам перестало быть эффективным». Все это с полным основанием можно отнести и к инженерной экологии. В настоящее время многие авторы (В.Д.Зубаков, Б.С.Флейшман, И.И.Мазур, О.И.Молдованов и др.) при­ держиваются достаточно широкого (междисциплинарного) толкования содержания этого сравнительно нового научного направления: опти­ мальное использование человечеством природных ресурсов в глобаль­ ном масштабе, учитывающее биологические, технические и экономикосоциальные факторы. Другие авторы (В.Г.Гмошинский, Б.Н.Родионов, В.В.Иванищев и др.), напротив, инженерной экологии «приписывают»

более скромный спектр проблем — оценка степени вреда, наносимого природе индустриализацией производства. Во многом и первая, и вто­ рая точки зрения считают доминантой прилагательное «инженерная»

(область технических наук), а не существительное «экология». Если же взять за основу тот факт, что инженерная экология является частью соб­ ственно экологии, то за этим направлением следует закрепить тот раздел экологии, где основные объекты — экосистемы — изучаются методологическими средствами, развитыми в рамках технических наук и системного подхода. При этом можно выделить следующие основные направления исследований [216]:

— мониторинг окружающей природной среды;

— экологическое прогнозирование;

— экологическая оптимизация;

— конструирование экосистем с заданными свойствами.

Мониторинг окружающей природной среды Любое исследование, направленное на решение прикладных задач экологии, должно опираться на систему получения постоянной, дос­ товерной и первично обработанной информации. Таким образом, переход от эмпирических оценок к научно обоснованным методам принятия экологически верных решений лежит через создание систе­ мы экологического мониторинга — наблюдений и экспериментов, ориентированных на оценку и прогноз состояния окружающей при­ родной среды, находящейся под антропогенным воздействием [96].

При этом целью мониторинга является не пассивная констатация фак­ тов, а соответствующая обработка поступающей информации, автома­ тизация экологических наблюдений, оценка «меры диссонанса» дан­ ной экосистемы в сравнении с эталонной (ненарушенной или исполь­ зуемой разумно, без ущерба для нее) и, как результат, обеспечение следующих основных направлений инженерной экологии: прогнози­ рования, принятия эколого-инженерных решений и выдачи рекомен­ даций.

Задача прогноза структуры и динамики экосистем наиболее оче­ видна и чаще других задач привлекала внимание исследователей. При решении задач экологического прогнозирования необходимо уделять внимание трем основным аспектам: целям прогнозирования, разра­ ботке прогнозирующих моделей и проблеме оценки достоверности прогнозов.

В самом общем виде целью экологического прогнозирования мо­ жет быть предсказание структуры и динамических изменений экоси­ стем. Спускаясь по «иерархии целей», в каждом конкретном случае происходит уточнение целей, их детализация. Формулировка целей прогнозирования в известной степени накладывает ограничения на характер используемой для прогнозирования информации: от пра­ вильности постановки задачи прогнозирования зависит выбор значи­ мых факторов.

Когда определены цели, успех прогнозирования будет связан с вы­ бором адекватного метода моделирования (табл. 3.1).

Положительные и отрицательные стороны основных методов построения экологических предикторов Название метода Классический • Простота расчетов ные в модель факторы в силу регрессионный и интерпретации их малой значимости в про­ Самооргани­ • Высокая точность • Сложность оценки адекватно­ моделирование • Минимум субъек­ Имитационное интерпретации • Отсутствие единого алгорит­ моделирование результата ма моделирования (имитация Процедура «модельного штурма»

(Брусиловский, Розенберг, [25]) Идеей оптимизации все больше и больше пронизываются все эколо­ гические исследования. Это касается не только оптимизации методов исследования, но и оптимизации взаимодействий в системе «человек — окружающая среда».

Здесь необходимо отметить еще одно сравнительно новое и перспек­ тивное в экологических исследованиях оптимизационное направление — построение потенциально эффективных моделей [258], которые претендуют на выполнение объяснительной функции экологической теории и, следовательно, могут «снять» некоторые «против» из таблицы 3.1, переведя их в группу «за».

Конструирование экосистем с заданными свойствами Эмпирические исследования в этом направлении своими «корня­ ми» уходят в глубокую древность, когда особи Homo sapiens начали культивировать полезные для себя растения, чем и заложили основы сельского хозяйства. Большая часть этих исследований (как, впрочем, и классические эксперименты Г.Ф.Гаузе по конкуренции видов) была направлена на вскрытие причин, дающих конкурентное преимущество тому или иному виду. Можно смело утверждать, что любая, даже са­ мая сложная, модель по мере ее упрощения («зануления» коэффициен­ тов) будет постепенно превращаться в классическую модель конку­ ренции Лотки — Вольтерра. Именно эти представления (конкуренция видов, разные типы их эколого-ценотических стратегий, процессы плотной упаковки видов в экологических нишах, поддержание устой­ чивости и высокого разнообразия и пр.) стали основой конструирова­ ния экосистем с заданными свойствами (примером может служить газон футбольного поля — необходимо создать экосистему, устойчи­ вую к вытаптыванию, с максимально низкой продуктивностью). Ме­ тоды инженерной экологии позволяют перевести решение этих задач в практическую плоскость.

Еще раз подчеркнем конструктивный характер основных направле­ ний и принципов инженерной экологии и их методологическую взаи­ мосвязь. Мониторинг выступает в качестве поставщика информации для экологического прогнозирования, экологическое прогнозирование позволяет провести оптимизацию условий функционирования экосистем (прежде всего с учетом правил безопасности жизнедеятельности), что, в свою очередь, обеспечивает конструирование экосистем с заданными свойствами. В настоящее время совокупность построенных и реализо­ ванных на ЭВМ моделей, действующих гео-информационных систем (ГИС), а также систем эко-информационных (ЭИС), сервисных про­ грамм и другого ЭВМ-обеспечения уже создает хорошее поле деятель­ ности и может трактоваться как вариант реализации принципов инже­ нерной экологии. Становление методологии и методов инженерной эко­ логии — это путь к достижению устойчивого развития, постулирован­ ного рио-де-жанейрскими соглашениями 1992 г.; иначе, по словам Норберта Винера [43, с. 299], «мы столь радикально изменили нашу среду, что теперь, для того чтобы существовать в этой среде, мы должны из­ менить себя». Но на это у нас нет эволюционного времени...

Загрязнение природной среды происходит в результате природных процессов (например, вулканической деятельности) и изменений при­ роды человеком. В последнем случае различают следующие типы воз­ действий человека на окружающую природную среду [197]:

• прямые (непосредственное изменение природы в процессе хо­ зяйственной деятельности; правда, не всегда планируемое и желаемое);

• антропические (непосредственное воздействие людей как тако­ вых);

• антропогенные (порожденные людьми и их хозяйственной дея­ тельностью);

• аддитивные (совокупные; например, химическое, электромаг­ нитное, шумовое загрязнение атмосферы);

• куммулятивные (накопление усиления воздействующего факто­ ра; воздействие ионизирующего излучения на организм);

• синергические (эмерджентные; проявляется или в увеличении или в уменьшении воздействия одного фактора при наличии воздейст­ вия других факторов; например, пониженное сопротивление организма холоду при нефтяном загрязнении);

• опосредованные (косвенные; непреднамеренное изменение при­ родной среды в результате природных реакций на прямые воздействия;

ущерб от таких воздействий бывает весьма велик; например, подтопле­ ние территорий при создании водохранилищ).

Кроме того, все загрязнения природной среды делятся на:

• физические:

— тепловые, — шумовые, — радиационные (действие ионизирующих излучений) и радиоактив­ ные (связанные с содержание радионуклидов в среде), — электромагнитные;

• химические;

• биологические:

— биотические (биогенные), — микробиологические (микробные).

По масштабам распространения различают загрязнения:

1) глобальные (фоново-биосферные; например, загрязнение ДДТ);

2) региональные;

3) локальные (как правило, вокруг предприятия или другого ис­ точника загрязнения);

4) загрязнения компонентов биосферы (атмосферы, вод, почвы Загрязнение атмосферы происходит как естественным путем (пыль от выветривания и разрушения горных пород, лесные и торфяные пожа­ ры, испарения с поверхности морей и океанов, космическая пыль, аэро­ планктон и пр.), так и искусственным (попадание в атмосферу веществ техногенного и антропогенного происхождения; см. табл. 3.2).

Основные источники загрязнения атмосферы, % [29] Основные загрязнители воздуха делятся на:

• первичные:

— взвеси, аэрозоли (дым, туман, смог и т.д.), — углеводороды и другие летучие органические вещества, — угарный газ СО, — оксиды азота NOX — сернистый газ SO2, — тяжелые металлы;

• вторичные:

— озон O3, — кислоты H2SO4, HNO3.

По некоторым данным, за период научно-технической революции концентрация в атмосфере возросла: СO2 — на 30%, СН4 — на 145%, NO x — на 15%.

Выбросы промышленных предприятий представлены двумя группа­ ми: организованные (дымовые трубы, вентиляционные системы и пр.) и неорганизованные. К группе последних относятся и выбросы от авто­ транспорта, которые, особенно в крупных городах, становятся основ­ ным источником загрязнения атмосферы.

Самое общее представление о влиянии загрязнения атмосферы на здоровье населения дают таблицы 3.3 и 3.4.

Влияние основных атмосферных загрязнителей на организм человека Раздражает бронхи, вызывает легочные и аллергические Диоксид серы Препятствует кислородному обмену в крови, поражает Оксид углерода нервную систему, нарушает сердечную деятельность.

Способствуют и развитию злокачественных новообразо­ Углеводороды Оксиды азота Раздражают глаза и слизистые оболочки.

Свинец Поражает нервную систему и костную ткань.

Вызывают злокачественные новообразования и врожден­ Радиоактивные Количество загрязняющих веществ, приходящихся на человека Углеводороды К числу факторов загрязнения атмосферы относятся кислотные до­ жди — рН атмосферной воды при наличии в атмосфере кислых газов (SO2, SO3, NO x, HCl и др.) становится существенно меньше 5,6. Послед­ ствия выпадения кислотных дождей — деградация лесов, гибель гидробионтов, нарушение почв, мобилизация тяжелых металлов в них и пр.

Так, ущерб от кислотных дождей для лесного хозяйства Германии оце­ нивается в 0,2 млрд. долларов в год, для сельского хозяйства — в 1 млрд. долларов [29].

Наконец, укажем на изменение климата, отметим парниковый эф­ фект (образующийся прежде всего за счет увеличения в атмосфере со­ держания углекислого газа) и нарушение озонового слоя (за счет роста в атмосфере содержания оксидов азота и фтор-хлор-углеводородов — например, фреонов).

Основные экологические проблемы, связанные с загрязнением вод,— это:

• уменьшение запасов пресной воды;

• загрязнение вод.

Гидросфера Земли возникла, по-видимому, более 4 млрд. лет назад.

Сейчас более 75% поверхности нашей планеты покрыто водой (более 360 млн. км2). Общий запас воды оценивается [197] величиной 1386 млн. км3, в том числе пресной — 35 млн. км3 (2,5%; причем 68,7% пресной воды содержится в ледниках и полярных шапках; 0,86% — в подземных льдах и 30,1% — пресные подземные воды. Таким образом, объем «легкодоступной» пресной воды примерно равен 100—ПО тыс. км3.

Запас поверхностных пресных вод России оценивается в 28 тыс. км3, из них 23 тыс. км3 (82%) содержится в озере Байкал (или 20% пресных по­ верхностных вод мира!).

Некоторое представление о характере водопотребления дает табли­ ца 3.5. Вся вода, которую мы потребляем, изымается из кругооборота и возвращается, как правило, в той или иной степени загрязненной. Для снижения расхода пресной воды рекомендуется ряд мероприятий:

• уменьшить расход воды на бытовые нужды (на одного жителя в России приходится 400 и более литров в сутки, в странах Западной Ев­ ропы — до 200 л, в странах зоны пустынь — до 15—20 л);

• уменьшить потери воды в водопроводно-канализационных системах;

• внедрять водооборотные системы;

• для технологических нужд шире использовать предварительно очищенные ливневые стоки;

• внедрять капельное орошение (в частности, в США на орошение расходуется до 80% пресной воды).

У нас в стране (для сравнения: речной сток — 4 720 км3/год) водопотребление составляет примерно 6% возобновляемых водных ресурсов, доходя в некоторых регионах до 40%.

Америка Южная Америка Австралия и Океания В 1994 г. в России из общего количества сточных вод (70 км3/год) доля нормативно очищенных сточных вод составляла лишь 9%, а 12% сбрасывалось неочищенными вообще. Примерно такая же картина на­ блюдается и во всем мире. Так, в устье реки Миссисипи концентрация соединений азота оставалась неизменной (фоновой) до 1960 г. [Vitousek, 368; 70], после чего начала стремительно (экспоненциально) расти и за четверть века увеличилась в 2,5 раза.

В региональном аспекте продемонстрируем загрязнение водоемов на примере Самарской области (по данным «Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Самарской области за 2000 г.»): в природные водные объекты и на рельеф местности в 2000 г.

было сброшено 0,887 км3 сточных вод, что на 4% больше, чем в 1999 г.;

при этом объем загрязненных сточных вод составил 75% (в том числе от предприятий жилищно-коммунального хозяйства — 53%, от промыш­ ленности — 38%).

Почвенный покров суши активно эксплуатируется (табл. 3.6) и бы­ стро деградирует, концентрации веществ в нем изменяются (как и в воз­ духе, и в воде). Только за 20 лет (с 1970 г.) на сельскохозяйственных землях мира потеряно 480 млрд. т верхнего слоя почвы, что эквивалент­ но всем пахотным почвам Индии. За этот же период пустыни расшири­ лись на 120 млн. га, умеренному опустыниванию подверглись 1,5 млрд. га пастбищ [141]. В качестве примера загрязнения почв назо­ вем только одну цифру: в 1980 г. в СССР пестицидами было загрязнено около 40 млн. га почв (около 1/6 всей пашни; [197]).

Почвы дождевых лесов — красные и желтые ферралитные Почвы сезонно-влажных ландшафтов — красные саванновые, черные слитые красноземы, желтоземы коричневые и др.

бурые лесные и др.

каштановые подзолистые, дерново-подзолистые Почвы мерзлотно-таежных ландшафтов В природных экосистемах понятия «отходы» просто нет: круговорот веществ в природе разлагает и рециклизует все продукты жизнедея­ тельности отдельных компонент экосистем. Рост численности населе­ ния и научно-технический прогресс привели к тому, что процесс «пере­ работки» отходов «вышел из-под контроля» естественных экосистем.

Проблему усугубило производство все новых и новых веществ, которые не утилизируются в результате естественных процессов, что переводит отходы в категорию отбросов.

По агрегатному состоянию различают твердые (на 1980 г. количе­ ство твердых отходов в СССР оценивалось в 3,6 млрд. т), жидкие и газообразные отходы (традиционно в категорию «отходов» не включают природные вещества, неявно используемые в технологических циклах — воздух, воду и т.п.). По видам различают бытовые (коммунальные), сельскохозяйственные, строительные и промышленные отходы (по­ следние подразделяются на возвратные и безвозвратные).

Бытовые отходы — отходы, не утилизируемые в быту, образующие­ ся в результате амортизации предметов быта, а также в результате жизне­ деятельности людей вещества. Количество твердых бытовых отходов (далее — ТБО) неуклонно растет — за 25 лет (с 1970 г.) масса ТБО уве­ личилась более чем в 1,5 раза. Состав городских ТБО примерно таков [29]: бумага — 41%, пищевые отходы — 21%, стекло — 12%, металлолом — 11% (в том числе 1% алюминия), пластмассы и древесина — по 5%.

Каждый человек ежедневно «производит» примерно по 2 кг ТБО. Поэто­ му город с населением в 1 млн. человек должен быть готов к утилизации (переработке, захоронению, рекультивации и пр.) ежегодно 750—800 тыс. т бытовых отходов. В таблице 3.7 приведены данные о процентном соот­ ношении технологий переработки ТБО в развитых странах.

Соотношение технологий переработки ТБО в развитых странах, % Промышленные отходы — остатки сырья, материалов, полуфабрика­ тов и пр., образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Коэффициент полезного действия (далее — КПД) технологиче­ ских цепочек «сырье — целевой продукт» редко превышает 10% (КПД угледобывающей промышленности — около 52%). Остальное — отходы.

На предприятиях черной металлургии стран СНГ накоплено 400 млн. т доменных и сталеплавильных шлаков, калийных удобрений — 500 млн. т галитовых отходов, серной кислоты — 30 млн. т пиритовых огарков. Мно­ го отходов дает энергетика; так, при работе на угле в течение суток тепло­ электростанции (далее — ТЭС) средней мощности (1 ГКквт) образуется 1 тыс. т шлака и золы; отвалы такой ТЭС растут со скоростью 1 га в год.

Радиоактивные отходы — неиспользуемые радиоактивные веще­ ства, образующиеся при работе ядерных реакторов и при производстве и применении радиоактивных изотопов.

Проблема радиационной безопасности приобрела особое значение в мире после аварии, произошедшей в 1979 г. на атомной электростанции «Три-майлайленд» (штат Пенсильвания, США), а у нас в стране — после Чернобыльской катастрофы в мае 1986 г. Этому способствовало, поми­ мо масштаба радиационного загрязнения, совпадение ее с началом пе­ риода гласности (невозможно было скрыть аварию и ее последствия от мировой и, в первую очередь, от отечественной общественности). Ска­ жем, произошедшая ранее сравнимая с ней по масштабам ущерба Уральская катастрофа прошла у нас в СССР практически незамеченной.

Еще в начале гонки атомного вооружения академик А.Д.Сахаров пре­ дупреждал об опасности ядерных испытаний. По его оценке, испытание в атмосфере атомной бомбы мощностью 1 Мт* уносит в конечном счете жизни 10 тыс. человек. Если эта печальная статистика верна, то 425 Мт ядерного оружия, взорванного до декабря 1962 г. на территории СССР, «обошлось» нам в более чем 4 млн. жизней. Статьи об этом были опубли­ кованы и хорошо известны специалистам. Но лишь Чернобыльская ката­ строфа помогла осознать обывателю непосредственную опасность, кото­ рую для него лично представляет соседство мирного атома. На смену бес­ печности пришла радиофобия, подогреваемая политическими страстями.

Однако безответственное отношение к радиационным отходам про­ должает наблюдаться [214]. Так, в Твери радиоактивный шлак был ис­ пользован для отсыпки дорожек на территории одной из воинских час­ тей; в Нижнем Новгороде для отмостки улиц Марата и Обухова исполь­ зовался кирпич с уровнем радиации от 80 до 2 200 мкр/ч; многочислен­ ные локальные очаги радиоактивного загрязнения отмечены в гг.Улья­ новске и Дмитровграде. В отвалах урановых месторождений в Калмы­ кии уровень радиации доходит до 400 мкр/ч (в 26 раз выше естествен­ ного фона), в Элисте выявлены бесхозные радиоактивные отвалы [291].

По-видимому, это не единственные случаи, поскольку разработка по­ добных месторождений (равно как и места захоронения отходов произ­ водства) была засекречена, а сведения о них хранят в основном местные «предания». Существенную опасность могут представлять выброшен­ ные на свалки, утерянные или растащенные источники радиоактивно­ го излучения. Только за 8 лет в г.Москве сотрудниками Геоэкоцентра выявлено 765 участков локального радиоактивного загрязнения. Не­ редко это точечные, сложные для обнаружения источники.

Между тем, оценка риска радиационного загрязнения, особенно при низких его уровнях, представляет для неспециалиста достаточно трудную задачу. Опасность радиационного воздействия зависит от многих факторов:

— мощности излучения и характера этого излучения, — проникающей способности, * 1 мегатонна (Мт) = 1 миллион тонн.

— длительности воздействия, — локализации источников излучения (вне и внутри организма), — полученной дозы (разовой и суммарной), — тропности отдельных радиоактивных элементов к тканям организма, — распространенности радиационного облучения, — приуроченности к отдельным органам и пр.

Даже при относительно высоком радиоактивном загрязнении оценка его последствий возможна только статистическая: расчет риска возник­ новения того или иного заболевания на 1 000 человек. При этом боль­ шую сложность составляет проблема «вычленения» эффекта радиаци­ онного поражения из комплекса других неблагоприятных факторов сре­ ды. В частности, по данным агентства НКДАР при ООН, в результате облучения в дозе 1 грей:

— 2 человека из тысячи умрут от лейкоза, — 10 — от рака щитовидной железы, — 5 — от рака молочной железы, — несколько меньше — от рака легкого, — вероятность заболевания раком других локализаций увеличива­ ется на 1—2 случая на 1 000 человек [188].

Нет убедительных данных по Семипалатинскому полигону о влия­ нии радиации на частоту возникновения злокачественных заболеваний.

Смертность в области от лейкозов, раковых заболеваний ниже (!), чем по Казахстану в целом. И хотя в период с 1975 по 1985 гг. смертность от лейкозов в области увеличилась в 7 раз, от рака органов дыхания — в 2 раза, с учетом вышесказанного это увеличение нельзя однозначно объяснить радиацией [57]. Так, имеются данные, что рост злокачествен­ ных новообразований в области связан прежде всего с применением ядохимикатов.

Аварии, связанные с токсичными химическими веществами и радио­ активными материалами, могут произойти на предприятиях в любом ре­ гионе. Так, например, с 1980 по 1985 гг. на американских предприятиях произошло 7 928 аварий различной степени серьезности (данные Агент­ ства по охране окружающей среды США). По данным «Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Самарской области в 2000 г.», было зарегистрировано 29 аварийных и залповых выбросов (а также сбросов), самыми крупными из которых были сброс в г.Самаре с 5 по 30 января 5000 т сточных вод в Волгу и возгорание в г.Сергиевске резервуаров с нефтепродуктами нефте-газодобывающего управления «Сергиевскнефть» (с 14 по 20 марта произошел выброс в атмосферу более 1000 т продуктов горения);

В 1984 г. в г.Мехико-Сити (Мексика) взорвались резервуары для хранения сжиженного газа, в результате чего погибли 1 000 человек.

3 декабря 1984 г. в г.Бхопале (Индия) на заводе пестицидов фирмы «Юнион карбайд» произошла утечка ядовитого газа метилозоцианата — погибли 2 000 человек. Следует назвать также утечку диоксина в г.Севезо (Италия) в 1976 г., пожар на складах с химическими вещества­ ми в г.Базеле (Швейцария) в ноябре 1986 г. Все это свидетельствует о том, что наблюдается увеличение числа и масштаба аварий с катастро­ фическими последствиями.

В период с 1950 г. [132] в России произошло 8 крупнейших промышлен­ ных аварий, 5 из которых произошли в Волжском бассейне:

• 1987 г. — аварийный выброс 5 т фенолов металлургическим ком­ бинатом в г.Череповце (загрязнение 95 тыс. га Рыбинского водохрани­ лища, образование 100 км подводного фенольного шлейфа);

• 1988 г. — взрыв вагонов со взрывчаткой в г.Арзамасе (погибли 88 человек, ранены более 200, большие разрушения);

• 1989 г. — взрыв на продуктопроводе под г.Уфой (погибли более 300 человек, ранены более 800);

• 1989 г. — прорыв городских очистных сооружений в г.Орле (ава­ рийный сброс около 150 тыс. м3 нечистот в реку Оку);

• 1990 г. — взрыв на химпредприятиях г.Уфы (обширные зоны за­ грязнения атмосферы, отравление фенолами питьевых вод).

К этому списку можно добавить:

• 1986 г. — Чернобыльская катастрофа (в результате на территории Волжского бассейна — 2 области с загрязнением почв цезием-137 с плотностью до 15 кюри/км2 и 12 — с плотностью до 5 кюри/км2);

• 1995 г. — авария на нефтепроводе в Башкортостане (в реку Бе­ лую, по разным оценкам, попало от 60 до 2 000 т нефти).

Таким образом, техногенные аварии значительно ухудшают качество окружающей природной среды. Следовательно, необходимы разработка методологии оценки промышленных технологий и их рисков и форми­ рование системы мониторинга.

1. Что такое «инженерная экология»?

2. Каковы цели мониторинга окружающей природной среды?

3. Каковы задачи экологического прогнозирования?

4. Дайте краткое определение типов воздействий человека на окружающую среду.

ПРИЛОЖЕНИЕ К ТЕМЕ

Предельно допустимые концентрации (далее — ПДК) некоторых веществ:

Сероводород Аммиак Фенол Бензол Формальдегид Примечание. ПДКмр — максимально разовая, ПДК СС — среднесуточная, ПДКрз — в рабочей зоне (ежедневно не более 8 часов).

Железо Растительное сырье и пищевые Растительное сырье и пищевые Овощи, фрукты и ягоды свежие и свежемороженые Напитки на настоях и эссенциях 0,03 Раздел 4. СТРАТЕГИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ Стратегия устойчивого развития. Экономика и общество.

Рост народонаселения. Экономическте механизмы природопользования.

Концепция устойчивого развития и концепция ноосферы.

Численность населения Земли последние 150—200 лет растет экспо­ ненциально, что позволяет говорить о демографическом взрыве (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Изменение численности населения Земли в XVIII—XX вв.

В настоящее время численность населения Земли ежесекундно уве­ личивается на 160 человек, в год — примерно на 110 млн. человек (за два года — Россия!). Однако нынешние темпы прироста населения не могут сохраняться в обозримом будущем (см. табл. 4.1), так как они уже сегодня ставят под угрозу способность многих государств обеспечивать образование, здравоохранение и продовольственную безопасность своего населения (сегодня это обеспечение происходит за счет снижения уров­ ня жизни).

Прогнозы роста численности населения Земли Левенгук А., и К.С.Лосева, 2000 [70, с. 57]) Мальтус Т., Т 1 8 0 0 = 0,9*109, = 0,006*109, t = 200 лет) Мальтус Т.

Т 1 9 0 0 = 1,6*109, = 0,05*109, t = 100 лет) Циолковский К.Э., 1928 [267] (по критерию надежности) Сахаров А.Д., 1972 [222] площади) Котляков В.М., 1994 [120] (по критерию нарушенной биоты суши) Виноградов М.Е. с соавторами, 1994 [44] (по критерию потребляемой продукции) Жирмунский А.В., Кузьмин В.И., 1994 [83] развития) Капица СП., 1995 [104] (по критерию гиперболического роста N = 186/[2025 — Т], где Т0 = 2025 г.

от Р.Х. — критическая дата) Статистический прогноз (по критерию метода наименьших квадратов по данным 1000—1985 гг.) Примечание. Темным цветом выделены наиболее точные прогнозы.

«Вклад» разных стран в общую картину роста народонаселения да­ леко не одинаков: численность населения слаборазвитых стран (75% населения, 20% мировых богатств) растет значительно быстрее, чем численность населения развитых стран (25% населения, 80% богатств).

Так называемый суммарный коэффициент рождаемости (среднее коли­ чество детей, которых рожает каждая женщина в течение жизни; далее — СКР; СКР = 2 обеспечивает неизменную численность населения) в высокоразвитых странах составляет 1,9 (наблюдается тенденция уменьшения численности населения), а в слаборазвитых странах — 4, (без Китая) или 4,1 (с его участием).

Причина быстрого роста численности населения в XX в.— снижение детской смертности в слаборазвитых странах (из-за использования про­ тивоэпидемических прививок в детском возрасте) при сохранении прежних уровней рождаемости. При этом население слаборазвитых стран (численность которого быстро растет) ради повседневного выжи­ вания резко увеличивает свое давление на природу (обнищавший народ будет истощать окружающую природную среду, а истощенная при­ родная среда сможет создать условия только для нищенского сущест­ вования).

Как и все внушающие опасения, тревогу (алармные) прогнозы, рас­ четы предельной численности населения имеют лишь относительную ценность. Достоверность их лимитирована уровнем знаний и техноло­ гий. Так, гипотеза о возможности автотрофного существования челове­ ка в будущем, высказанная К.Э.Циолковским и В.И.Вернадским, снима­ ет, например, трофические лимиты численности, из которых исходил Т.Мальтус. К тому же, экспоненциальный рост численности населения, как уже отмечалось,— это явление непостоянное. С ростом численности населения можно бороться не только снижением рождаемости до уров­ ня, соответствующего уровню нынешней смертности (лицензированием деторождения), но и повышением материального благосостояния, культурного уровня населения и пр. Нынешний кризис биосферы можно преодолеть не только ограничением роста численности населе­ ния и его материального потребления, но и использованием новых источников энергии. Замена традиционных сегодня источников энер­ гии (не беремся обсуждать реальность этой возможности) теоретиче­ ски может снять проблему нарушения устойчивости биосферы вслед­ ствие ее загрязнения.

6.2. Экономические механизмы природопользования Если экология — это естественно-научная дисциплина, наука «о собственном доме», то экономика — общественная дисциплина, наука «об умении вести этот дом».

Экономика природопользования — раздел конкретной экономики, изучающей главным образом вопросы экономической (в ряде случаев и внеэкономической) оценки природных ресурсов и такой же оценки ущербов от загрязнения окружающей природной среды [197]. Академик Т.С.Хачатуров [263, с. 14] так определял основные задачи этого направле­ ния экономики: «Экономика природопользования освещает две группы связанных между собой проблем: во первых, как наиболее экономиче­ ски эффективно использовать необходимые в производстве и потребле­ нии ресурсы и, во-вторых, каковы экономически наиболее целесообраз­ ные методы предотвращения или ликвидации загрязнения окружающей среды. Эти вопросы должны решаться с учетом изменения потребностей — личных и общественных, потребительских и производственных — в ходе развития производительных сил и прогресса науки и техники».

В этом определении явно просматривается примат экономики над эко­ логией.

Противоположная точка зрения отстаивается экологами: «Экономи­ ка природопользования окажется бесплодным научным направлением, если не будет опираться на существующие законы экологии и не будет использовать специально организованную экологическую информацию о состоянии экосистем региона... Таким образом, основной задачей эко­ номической экологии должна стать задача определения оптимальных соотношений антропогенных нагрузок и экологической емкости тер­ ритории. Причем эти соотношения не должны быть статичными (ба­ лансовыми, как это принято в экономике), а в соответствии с динамиче­ скими особенностями экосистем (флуктуациями, сукцессиями, эволюци­ ей) следует говорить о достижении динамического равновесия в системе "Природа — Человек". Второй не менее важной задачей должна стать разработка стратегии и тактики экономического управления природо­ пользованием (не отягощенных идеологическими запретами, а в строгом соответствии с экологическим знанием) для достижения этих оптималь­ ных соотношений» [209, с. 12] (курсив наш.— Г.Р., Ф.Р.).

Практически любая хозяйственная деятельность человека так или иначе приводит к изъятию некоторой доли природных ресурсов и к за­ грязнению окружающей природной среды. Сегодня стало очевидным, что только с помощью увеличения платы за потребляемые ресурсы, а также за счет увеличения размеров инвестиций в дело охраны окру­ жающей природной среды (что само по себе в условиях становления рынка в России весьма проблематично) экологических проблем не ре­ шить. Необходимо создание и приведение в действие системы хозяйст­ венных рычагов экологизации производства, а также необходимо разви­ тие рынка природоохранных (экологических) услуг. В настоящее время начинают внедряться экономические воздействия на сферу охраны при­ родной среды (налоги, система платежей различного рода, экологиче­ ский аудит и т.п.). Однако в силу их некомплексного характера и ряда других причин, заметного стимулирующего действия на экологическую политику предприятий и территориальных органов управления эти эко­ номические воздействия пока не оказывают.

Экологическое налогообложение сегодня у нас в стране направлено на взимание денежных средств с предприятий, загрязняющих окру­ жающую природную среду (плата за выбросы и сбросы). Для служб государственного контроля эта ситуация соответствует принципу «чем хуже, тем лучше» — эти службы «живут» с этих налогов. Думается, что более эффективным стал бы противоположный механизм: платить предприятиям за сокращение выбросов и сбросов, за ввод новых приро­ доохранных технологий, за строительство очистных сооружений и пр. В этом случае возрастает роль экологического аудита (совместно с нала­ женной системой экологического мониторинга).

Из всех известных на сегодня методов эколого-экономического ре­ гулирования наиболее гибкими являются «бабл-принцип» и «торговля выбросами».

Суть «бабл-принципа» в следующем: предприятия, находящиеся в одном регионе, сами устанавливают объемы выбросов от отдельных источников загрязнения в пределах общего, регламентируемого муни­ ципальными властями, допустимого объема загрязнения. При таком подходе нет необходимости в каких-то единых требованиях к источни­ кам загрязнения, что дает возможность группе предприятий выбирать различные способы достижения суммарного норматива выбросов (со­ кращение объемов выбросов, техническое перевооружение предпри­ ятий, закрытие наиболее «грязных» из них, снижение объемов произ­ водства и пр.; все это создает предпосылки уменьшения совокупных издержек на защиту среды от загрязнения). «Бабл-принцип» ориентиро­ ван на уже существующие предприятия и призван стимулировать оп­ ределенное «разделение труда» внутри группы предприятий с учетом необходимости снижения уровня загрязнения с минимизацией экономи­ ческих издержек на природоохранные мероприятия.

Так, например, «бабл-принцип» позволил предприятиям компании «Дюпон» (США) направить средства на сокращение выбросов всего на 5 крупных источниках вместо «размазывания» их по 205 источникам, что позволило снизить уровень загрязнения до необходимого и сэкономить около 12 млн. долларов. К 1985 г. в США было заключено 50 соглашений с предприятиями об использовании «бабл-принципа» и находилось на рассмотрении еще более 500 заявок (с предполагаемой экономией в 700 млн. долларов). Более того, оказалось, что 30 из первых 50 предпри­ ятий, подписавших соглашение, добились даже большего снижения уровня загрязненности, чем было предусмотрено. По оценкам амери­ канских экономистов, для достижения 60%-го снижения уровня выбро­ сов «бабл-принцип» требует почти в два раза меньше средств по срав­ нению с традиционными методами контроля (например, контроля «за каждой трубой»).

Другой метод эколого-экономического регулирования — «торговля выбросами» — связан с прямыми сделками между предприятиями пу­ тем торговли в пределах «квот на загрязнение» [56]. Мотивы заключе­ ния сделок могут быть также весьма различны. Так, предприятие может покупать квоты на выброс с тем, чтобы уменьшить бремя платежей за сверхнормативные выбросы, создать определенный запас разрешений на выбросы в ожидании повышения цен на эти разрешения или для обеспечения предполагаемого развития, связанного с ростом загрязне­ ния, а продавать — при переходе на новые, экологически чистые техно­ логии и пр. «Торговля выбросами» преимущественно касается новых или модернизируемых предприятий: введение новых мощностей должно компенсироваться сокращением выбросов на уже существующих ис­ точниках. Этот способ, по-видимому, наиболее эффективен в условиях сложившейся и развитой экономики. Естественно, что оба эти подхода («бабл-принцип» и «торговля выбросами») требуют налаженной и опе­ ративной системы экологического мониторинга и контроля за выброса­ ми предприятий.

Для России в ее современном состоянии реальная экологизация эко­ номики возможна лишь при условиях:

• совершенствования системы административно-правового управ­ ления экологической ситуацией, • введения экономических механизмов рационального природо­ пользования, • роста затрат на охрану окружающей природной среды (среднего­ довые темпы роста капитальных вложений, по предварительным оцен­ кам, должны составлять 107—108%, сейчас они — 102%), • повышения доли затрат на охрану окружающей природной среды в валовом национальном продукте до 3—5% (сейчас доля затрат — ме­ нее 1%).

6.3. Концепция устойчивого развития и ноосфера Основа рационального природопользования была заложена в начале XX в. учением о биосфере В.И.Вернадского и об ее трансформации под влиянием деятельности человека. Осознание глобальности экологиче­ ских катастроф пришло значительно позже: оно связано с работами Рэйчел Кэрсон «Безмолвная весна» [Carson, 297], Пауля Эрлиха «Популяционная бомба» [Ehrlich, 307], Гаррета Хэрдина «Общая трагедия»

[Hardin, 323], Барри Коммонера «Замыкающийся круг: Природа, чело­ век, технология» [Coomoner, 115] и рядом других, с моделированием последствий ядерной войны, выполненным американскими и советски­ ми учеными (в последнем случае — под руководством академика Н.Н.Моисеева), а также с выявлением других отрицательных эффектов научно-технического прогресса, не ограничивающихся территориями отдельных государств (таких как техногенное изменение климата, раз­ рушение озонового слоя, опустынивание, воздействие кислотных дож­ дей и т.п.).

Тревога ученых за будущее человечества как биологического вида дошла до политиков и общественных деятелей. В июне 1972 г. в Г.Стокгольме (Швеция) прошла Конференция ООН по вопросам охраны природы, в которой приняло участие 113 стран. Декларация об охране окружающей среды была принята 5 июня (Международный день ох­ раны окружающей среды). Генеральный секретарь этой конференции Морис Стронг (Канада) впервые сформулировал понятие «экоразвитие»

— экологически ориентированное социально-экономическое развитие.

На этой же конференции была создана с целью разработки рекоменда­ ций по наиболее острым экологическим проблемам специальная струк­ тура — Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП).

В 1983 г. по инициативе Генерального секретаря ООН и в соответст­ вии с резолюцией 38/161 Генеральной Ассамблеи ООН была создана Международная комиссия ООН по окружающей среде и развитию (да­ лее — МКОСР), которую возглавила премьер-министр Норвегии Гро Харлем Брундтланд (Brundtland). Эта комиссия была призвана выявить проблемы, объединяющие ситуации экологической и социальноэкономической озабоченности в разных регионах мира. В 1987 г. был опубликован доклад МКОСР «Наше общее будущее» [«Our Common Future (The Brundtland Report)»]. В составлении и обсуждении этого доклада приняли участие 823 специалиста и 84 организации. Среди при­ глашенных специалистов больше всего было канадцев (30%), бразиль­ цев (9%) и россиян (6,5%). В числе отечественных ученых были акаде­ мики В.Е.Соколов (член МКОСР), Н.Н.Моисеев, В.А.Легасов, Р.З.Сагдеев, Ю.А.Израэль, И.Т.Фролов и др.

Доклад МКОСР [Our Common.., 347] ввел в обиход понятие «sustain­ able development». В 1989 г. доклад был издан у нас в стране [166], и это понятие перевели как «устойчивое развитие». Сразу заметим, что дан­ ный перевод весьма неудачен. Правильнее было бы перевести sustainable development как «допустимое развитие», «неистощающее развитие» или «развитие, сохраняющее целостность».