Основы биоэкологии. Основные закономерности. Экология человека
Переработка индустриальных отходов и ремонтные работы.
Продукты синтеза
Технологические процессы и оборудование
Закономерности и механизм процессов
· влияние высокотемпературных гидродинамических процессов на распространение и структуру волн горения
· горение гибридных систем и влияние принудительной фильтрации высокотемпературного расплава на горение безгазовых систем
· химическая стадийность в системах MeOx+ B2O3 +Al, MeOx+ SiO2 +Al и структура волн горения;
· деформационные процессы в волнах горения;
· горение под воздействием высоких перегрузок (более 1000g);
· продолжить исследования влияния внешних полей на СВС-процесс и формирование градиентных структур, и разработку центробежных методов закалки продуктов горения.
· разработать радиальные центробежные установки с перегрузкой более 1000g;
· разработать осевые высокоточные центробежные установки для получения трубчатых изделий;
· разработать опытные высокопроизводительные установки для процессов СВС-металлургии и СВС-переработки промышленных отходов;
· использовать СВС- составов термитного типа для моделирования аварийных процессов в атомном реакторе;
· создать основы космической СВС-металлургии.
· создать композиционные жаростойкие материалы и твердые сплавы на на основе карбидов и боридов металлов с интерметаллидными матрицами;
· создать высокотемпературные электропроводящие оксидные композиционные материалы ;
· создать литые градиентные материалы;
· создать защитные покрытия на поверхности легкоплавких и активных металлов;
· создать литые трубы из электропроводящих оксидных и композиционных материалов.
· СВС-переплавка отходов металлообработки и бракованных деталей;
· СВС-переплавка радиоактивных неметаллических отходов;
· залечивание технологических отверстий и литейного брака в изделиях с помощью СВС-процессов и СВС- материалов;
· восстановление изношенных поверхностей.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения веществ, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня организации.
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс. Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы (связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.
Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.
Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость; удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.
Биотический (биологический) круговорот. Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.
Давайте представим биотический круговорот в циклической форме: микроорганизмы → многоклеточные растения → растительноядные животные → плотоядные животные → микроорганизмы. Все организмы занимают определенное место в биотическом круговороте и выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по передаче биомассы.
Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота:
- фотосинтез; под действием солнечной энергии:
nCO2 + nH20 + энергия → CnH2nOn + O2
В общий круговорот материи, связанный с построением путем фотосинтеза органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы – K, Ca, Mg, Na, Al.
При гибели организма происходит обратный процесс – разложение органического вещества путем окисления, гниения и т.д. с образованием конечных продуктов разложения. Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе следующим образом:
mCO2 + nH2O ↔ Cm x n(H2O) + mO2
В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого вещества приобретает тенденцию к определенному посоянству.
Закон биогенной миграции атомов В.И.Вернадского гласит: «Миграция химических элементов на земной поверхности и биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (O2, CO2, H2 и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».
В.И. Вернадский в 1928-1930 гг. в своих глубоких обобщениях относительно процессов в биосфере дал представление о пяти основных биогеохимических функциях живого вещества:
1. газовая. (большинство газов верзних горизонтов планеты порождено жизнью)
2. концентрационная (организмы накапливают в своих телах многие химические элементы)
3. окислительно – восстановительная.(организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью Mn, Fe).
4. биохимическая (рост, размножение и перемещение организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области).
5. биогеохимическая деятельность человека.(биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства).
Таким образом, все живое население нашей планеты – живое вещество – находится в постоянном круговороте биофильных химических элементов. Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим круговоротом.Из всех биогеохимических циклов(т.е. обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой)круговорот углерода, без сомнения,самый интенсивный. Он включает в себя:
Рассмотрим более подробно основные биогеохимические круговороты.
Круговорот воды. Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле – это планетарный гидрологический цикл – круговорот воды.
Каждую секунду в него вовлекается 16,5 м3 воды и тратится на это более 40 млрд. МВт солнечной энергии (Акимова, Хаскин, 1994). Но данный круговорот – это не только перенос водных масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей, выпадение осадков, кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные химические реакции. В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода – основной элемент, необходимый для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63% массы тела, грибов – 80%, растений – 80-90%, а у некоторых медуз – 98%.
В жидком, твердом и парообразном состоянии вода присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере.
Пресной воды на Земле очень мало. Вместе с зоной активного водоснабжения подземными водами они достигают лишь 300 млн. км3, при этом 97% из них находится в ледниках Антарктиды, Гренландии, полярных зонах и горах. Однако естественный круговорот воды гарантирует, что без воды Земля не останется.
Круговорот углерода:
1. поглощение его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых существ экосистемы. Атомы углерода при этом вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом завершив один цикл и приготовившись начать следующий.
2. cоздание карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO3-, CO32-. С помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов (CaCO3) биогенными и абиогенными путями. Образуются мощные толщи известняков).
Круговорот кислорода:
1. растения→ животные; + множество эпициклов; образование озонового слоя).
2. Большая часть кислорода, вырабатываемого в течение геологических эпох, не оставалась в атмосфере, а фиксировалась литосферой в виде карбонатов, сульфатов, окислов железа и т.п. Эта масса составляет 590 х 1014 против 39 х 1014 кислорода, который циркулирует в биосфере в виде газа или сульфатов, растворенных в континентальных и океанических водах.
Круговорот азота:
Азот – незаменимый биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных круговоротов.
Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании всех протеиновых веществ.
Атмосферный воздух, содержащий 70% азота, является неисчерпаемым резервуаром. Однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать азот. Он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Например, для усвоения азота растениям необходимо, чтобы он входил в состав ионов аммония (NH4) или нитрата (NO3-).
Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы денитрофицирующих бактерий, а бактерии-фиксаторы вместе с сине-зелеными водорослями (цианофитами) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.
Образование нитратов неорганическим путем в небольших количествах постоянно происходит в атмосфере путем связывания атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождем на поверхность почвы.
Еще одним источником атмосферного азота являются вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при седиментации или осаждении его на дно океана.
В целом же среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N2 и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглащается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценоза.
Круговорот фосфора:
Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы, содержащийся в наземных растениях и водорослях 0,01-0,1%, животных от 0,1% до нескольких процентов, циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в фосфаты, которые снова могут использоваться растениями.
Однако фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является не атмосфера, как у азота, а минеральная часть атмосферы (горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи). Основными источниками неорганического фосфора являются:
- изверженные породы;
- осадочные породы.
Неорганический фосфор (Р) → (PO43-) → растения → животные → органический фосфор → неорганический фосфор.
При рассмотрении круговорота фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период можно отметить, что он полностью не замкнут. Механизм возвращения фосфора из океана на сушу в естественных условиях совершенно не способен компенсировать потери этого элемента на седиментацию. В связи с тем, что запасы фосфора на Земле малы (содержание не превышает 1% в земной коре), то любые воздействия человека на биогеохимический круговорот фосфора несут опасность потери фосфора, что делает его круговорот менее замкнутым.
Круговорот серы:
Существуют многочисленные газообразные соединения серы, такие, как сероводород H2S, сернистый ангидрид SO2. Однако преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде.
Основной источник серы, доступный живым организмам – сульфаты (SO42-). Доступ неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Растения, поглащая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин, цистин), играющие важную роль в выработке третичной структуры протеинов при формировании дисульфидных мостиков жежду различными зонами полипептидной цепи.
Сера → специализированные микроорганизмы → растения → животные → сера.
Сера → специализированные микроорганизмы → H2S → взаимодействие геохимических и метерологических процессов → биологические процессы.
В целом экосистеме по сравнению с азотом и фосфором требуется меньше серы. Отсюда сера реже является лимитирующим фактором для растений и животных. Вместе с тем круговорот серы относится к ключевым в общем процессе продукции и разложения биомассы.
Таким образом, в экосистеме постоянно происходят изменения, которые оказывают воздействие на состояние и жизнедеятельнсть их членов и соотношение популяций. Многообразные изменения, происходящие в любом сообществе, относят к двум основным типам: циклические и поступательные.
Циклические изменения сообществ отражают:
- суточную;
- сезонную;
- многолетнюю периодичность внешних условий и проявления эндогенных ритмов организмов.
Поступательные изменения в экосистеме приводят в конечном итоге к смене одного биоценоза другим, с иным наиболее господствующим видом.
Последовательная смена одного биоценоза другим называется экологической сукцессией. Сукцессия является процессом саморазвития систем., которое можно определить по следующим параметрам:
1. это упорядоченный процесс развития сообщества, связанный с изменениями во времени видовой структуры и протекающих в сообществе процессов; он определенным образом направлен, и, таким образом, предсказуем;
2. сукцессия происходит в результате изменения физической среды под действием сообщества, т.е. сукцессия контролируется сообществом, несмотря на то что физическая среда определяет характер сукцессии, скорость изменения, а часто и устанавливает пределы, до которых может дойти развитие;
3. кульминацией развития является стабилизированная экосистема, в которой за единицу имеющегося потока энергии приходится максимальная биомасса (или высокое содержание информации) и максимальное количество симбиотических связей между организмами.
Итак, последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе называется сукцессией; более или менее переходные сообщества называются по-разному: последовательные стадии, стадии развития, стадии первых поселенцев, тогда как терминальная стабилизированная система известна под названием климакса.
Замещение видов в сукцессиях вызывается тем, что популяции, стремясь модифицировать окружающую среду, создают условия, благоприятные для других популяций; это продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между абиотическими и биотическими компонентами.
Сукцессии со сменой растительности могут быть первичными и вторичными.
Первичной сукцессией называется процесс развития и смены экосистем на незаселенных ранее участках, начинающихся с их колонизации. Классический пример – постоянное обрастание голых скал с развитием в конечном итоге на них леса.
Вторичная сукцессия – это восстанвление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории. Она начинается в том случае, если уже в сложившемся биоценозе нарушены установившееся взаимосвязи организмов в результате извержения вулкана, пожара, вырубки, вспашки и т.д.
Принцип сукцессионного замещения - в экологии - положение, согласно которому сообщества организмов формируют ряд закономерно сменяющих друг друга экосистем, ведущий к наиболее устойчивой в данных условиях климаксовой экосистеме. Т.е. сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы, размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Основные биомы земли – это климаксовые экосистемы соответствующих географических областей.
При изменении любого абиотического или биотичесого фактора, например, при устойчивом похолодании, интродукции нового вида, вид, который плохо приспособлен к новым условиям, ожидает один из трех путей:
- миграция;
- адаптация;
- вымирание.
Закон эволюционно-экологической необратимости гласит: экосистема, потерявшая часть своих элементов или сменившаяся другой в результате дисбаланса экологических компонентов, не может вернуться к первоначальному своему состоянию в ходе сукцессии, если в ходе изменений произошли эволюционные (микроэволюционные) перемены в экологических элементах (сохранившихся или временно утерянных).
Одним словом, «стратегия» сукцессии как быстро протекающего процесса в своей основе сходна со «стратегией» длительного эволюционного развития биосферы: усиление контроля над физической средой (или гомеостаза со средой) в том смысле, что система достигает максимальной защищенности от резких изменений среды. Развитие экосистем во многом аналогично развитию отдельного организма.
Биосфера.
Оболочка Земли, в которой в настоящее время поддерживается жизнедеятельность активной биомассы, называется современной биосферой, или экосферой.
Исторически для обозначения области современной жизни на Земле различными учеными (Ж.Б.Ламарк, А.Гумбольт, Э.Зюсс, и др.) предлагался целый ряд терминов. Довольно неожиданно внимание научного мира к проблеме взаимодействия живых организмов с неживой (косной) природой было привлечено трудами русского геохимика В.И.Вернадского (1926). В созданном им учении о биосфере не только рассматривались основные свойства живого вещества и влияние на него косной природы, но впервые было раскрыто грандиозное обратное влияние жизни на абиотическую среду (атмосферу, гидросферу, литосферу) и формирование в результате этого исторического процесса особых биокосных природных тел, таких как почва.
Биосфера является глобальной экосистемой, которая охватывает толщу тропосферы, гидросферы, осадочных (и, возможно гранитных) пород литосферы в ходе всей геологической истории Земли.
Хотя процессы жизнедеятельности современных организмов сосредоточены только в экосфере (которая объединяет все современные экосистемы Земли), влияние живого вещества (современного или существовавшего в прошлом) осуществляется далеко за ее пределами. Именно поэтому биосфера В.И.Вернадского (как область существования всех былых экосфер) простирается далеко за пределы современной экосферы, охватывая по вертикали слой толщиной в несколько километров.
Ученые считают, что в биосфере имеется по меньшей мере 8-9 уровней относительно самостоятельных круговоротов веществ, в пределах взаимосвязи 7 основных вещественно-энергетических экологических компонентов, относящихся к косной части экосистемы (вода, газы, энергия, почва) и живой части экосистемы (редуценты, консументы, продуценты).
Глобальные, региональные и местные круговороты веществ незамкнуты и в рамках иерархии экосистем частично «пересекаются». Это вещественно-энергетическое, а отчасти и информационное «сцепление», обеспечивает целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом.
Биосферу формируют в большей степени не внешниефакторы, а внутренние закономерности. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В.И.Вернадского:
Закон биогенной миграции атомов В.И.Вернадского (о котором мы уже говорили), согласно которому миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется
- или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция);
- или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом.
Закон биогенной миграции атомов дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.
Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде:
Закона постоянства живого вещества биосферы В.И.Вернадского - в экологии - закон, согласно которому количество живого вещества в биосфере постоянно. Следовательно, любое изменение количества живого вещества в одном месте биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в другом/других местах, но с обратным знаком.
Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы – биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то его количество или должно быть постоянным, или должны менять его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов. Деятельность биосферы подчиняется законам экодинамики, которые гласят:
Первый закон экодинамики: закон физико-химического единства живого вещества, в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на то, что она и несколько меняется с ходом эволюции.
Второй закон экодинамики:для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости или экологического равновесия, т.е. стремление к климаксу.
Третий закон экодинамики: принцип экологического порядка, указывающий на глобальное свойство, обусловленное влиянием целого на его части, обратного воздействия дифференцированных частей на развитие целого и т.п., которое в сумме ведет к сохранению стабильности биосферы в целом.
Четвертый закон экодинамики: закон самоконтроля и саморегуляции живого, - живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде.
Связующим звеном между обобщениями структурного и эволюционного характера служит правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автоматически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития.
Все выше сказанное следует из биогеохимических принциповВ.И.Вернадского, правил сохранения видовой среды обитания, относительной внутренней непротиворечивости, и служит константой наличия в биосфере консервативных механизмов и одновременно подтверждением правила системно-динамической комплементарности.
О космическом воздействии на биосферу свидетельствует закон преломления космических воздействий: космические факторы, оказывая воздействие на биосферу и особенно ее подразделения, подвергаются изменению со стороны экосферыпланеты и потому по силе и времени проявления могут быть ослаблены или сдвинуты или даже полностью утерять свой эффект.
Следует отметить, что многие процессы на Земле и в ее биосфере хотя и подвержены влиянию космоса и предполагают циклы Солнечной активности, сама биосфера и ее подразделения не обязательно во всех случаях должны реагировать с той же цикличностью. Космическое воздействие системы биосферы могут блокировать нацело или частично.
Человек как биологический вид
Наша планета сформировалась в результате масштабных космических, геологических и геохимических процессов, на которые затем наложился процесс возникновения и развития биосферы, существующий за счет преобразования энергии Солнца. Борьба за эту энергию предопределила огромное разнообразие видов живых существ.
Появление человека (Homo sapiens), произошло совсем недавно — 3,5—5 млн. лет назад.
А что этому предшествовало?
В настоящее время считается общепринятым, что когда свыше 3 млрд. лет назад на Земле зародилась жизнь, атмосфера содержала азот, аммиак, водород, окись углерода, метан и водяной пар, но свободный кислород в ней отсутствовал. Атмосфера Земли содержала также хлор, сероводород и другие газы, ядовитые для многих живущих сейчас на Земле организмов.
Из-за отсутствия кислорода не существовало и слоя озона, экранирующего губительное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое, таким образом, достигало поверхности суши и воды.
Первыми живыми организмами были дрожжеподобные анаэробы. Которые получали энергию, необходимую для дыхания путем брожения. Так на протяжении миллионов лет жизнь, вероятно, существовала в очень неподходящих условиях.
Скудность органической пищи создавала, вероятно. Давление отбора, приведшее к возникновению фотосинтеза. Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу вызвали громадные изменения в химии Земли и сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие более крупных и более сложных живых систем. По мере увеличения содержания кислорода в атмосфере слой озона в ее верхней части становился все более мощным, создавая защиту для поверхности Земли, и жизнь смогла продвинуться к поверхности моря. В это же время развитие аэробного дыхания сделало возможным эволюцию сложных многоклеточных организмов. Считается, что первые многоклеточные организмы появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигало примерно 3%. Это произошло приблизительно 600 млн. лет назад (в начале кембрия).
В кембрии произошел эволюционный взрыв новых форм жизни, таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские макрофиты и предки семенных растений и позвоночных. Так благодаря способности мельчайших зеленых растений моря продуцировать такое количество кислорода, которое превышало потребности в нем всех организмов, оказалось возможным заселение живыми организмами всей Земли.
В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь не только заполнило все моря, но и вышла на сушу. Развитие зеленой растительности обеспечило большие количества кислорода и питательных веществ, которые были необходимы для последующей эволюции крупных животных, таких как динозавры, млекопитающие и , наконец, человек.
Человек, как и любой биологический вид на Земле, также преходящ и вовсе не является «вершиной эволюции». Первобытный человек вплоть до появления сельского хозяйства представлял собой обычного всеядного консумента – потребителя, который занимался собирательством и охотой. Еще 1,5 млн. лет назад продолжительность жизни человека не превышала 20 лет, а численность всей его популяции на Земле составляла около 500 тыс. особей, т. е. человек противостоял силам саморегуляции природной среды теми же способами, что и представители других видов животного мира.
Появление и становление человека, как одного из компонентов биосферы, также живущего за счет солнечной энергии, первоначально не вызывало особых возмущений в окружающей его среде. На первой стадии развития, когда человек был собирателем и охотником (Homo habilis), он также как и другие обитатели планеты, получал свою долю энергии «нашего светила» за счет природных циклов обращения вещества и энергии. Численность людей определялась законом биомассы в рамках естественной пищевой пирамиды и регулировалась механизмом гомеостаза. В ходе эволюционного развития и постоянной борьбы за существование человек не смог занять естественную биологическую нишу и создал для себя новую, коренным образом изменив способ получения .энергии Солнца за счет своего разума. Появление Homo sapiens ознаменовало полное изменение самих принципов взаимоотношения человека и природы. Человек стал биологическим антагонистом естественной биоты Земли, обеспечивающим свое существование за счет уничтожения природно-равновесных биосистем на какой-то части суши и частичной замены их биосистемами с искусственным поддержанием за счет вложения труда человека. Длительный период такого развития нашей цивилизации по данному принципу и на основе абсолютного приоритета интересов человека привел к тому, что угроза необратимого разрешения и утраты естественной биоты стала очевидной даже людям, далеким от биологии.
Пример: Плотины на больших реках.
(+) выработка электроэнергии, нет наводнений
(-) нерест рыб, разрушение экосистем нижнего Дона
Все люди на Земле образуют популяционную систему — Человечество. Рост этой популяции ограничен доступными природными ресурсами и условиями жизни, социально-экономическими и генетическими механизмами (Реймерс, 1994). Человек, зная уже достаточно о роли этих ограничивающих факторов, пока еще мало придает им значения. Пример тому — «безудержный» рост населения.
Рост численности населения Земли подчиняется экспоненциальному закону, при этом прирост в последние десятилетия XX в. шел с нарастающим итогом. Так, в 70-е гг. население планеты увеличилось на 750 млн человек, в 80-е — на 840 млн, прирост на 90-е гг. прогнозировался в 960 млн человек, а первое десятилетие XI в. — по 100 млн человек в год. Такой прирост характеризует собой состояние «демографического взрыва» в человеческой популяции. В настоящее время для удвоения численности населения требуется всего 35 лет. И, несмотря на это, численность населения продолжает расти, так кат люди для себя увеличили емкость планеты, сделав обычно непригодные для жизни районы Земли обитаемыми.
Динамику роста народонаселения изучает наука «Демография». Демографические расчеты позволяют оценить возрастную структуру населения, причины изменения численности в прошлом и прогнозировать изменения на будущее. Данные по возрастному составу населения представляются в виде возрастных пирамид.
Пример № 1
Возрастная пирамида населения развивающихся стран сужается к вершине, что указывает на высокую рождаемость и низкую выживаемость здесь людей. Пирамида развитых стран имеет почти отвесную стенку вплоть до старших возрастов, что свидетельствует о высокой выживаемости человека в более благоприятных условиях.
Пример № 2
Т. Мальтус еще двести с лишним лет назад впервые математически доказал, что рост населения происходит по экспоненциальному закону (в геометрической прогрессии), а количество сельхозпродуктов увеличивается в арифметической прогрессии. Мальтус считал, что если не прекратится бесконтрольное деторождение, нищета и голод будут неизбежны, а с повышением численности и ростом плотности населения начнут регулировать численность человеческой популяции эпидемии инфекционных болезней, т.е. факторы, зависящие от плотности населения. Но успехи генетики и медицины, казалось бы, опровергли эти факты, однако постепенно они снова возникли из небытия. По прогнозам демографов, если все будет идти как идет сейчас, уже к 40—50-м гг. XXI в. численность населения на Земле достигнет
Предельной биологической емкости человеческой популяции (12—15 млрд человек), что чревато «крахом», если в силу вступят факторы естественной регуляции (естественного отбора) и среди них могут стать важнейшими — истощение доступных человечеству ресурсов, а прежние инфекционные болезни заменят ВИЧ-инфекция, рак и т.п
Демографическая политика человеческого общества должна быть направлена на разумную регуляцию численности населения. Но при реализации этой политики должны безусловно выполняться два этических принципа: каждый родившийся имеет право на достойную человека жизнь, и каждый народ имеет право на свое место в семье народов (Данилов-Данильян, Лосев, 2000).
Более двадцати лет назад учеными было убедительно доказано, что имеющий место экспоненциальный экономический рост объективно обусловлен определенными пределами, которые связаны с истощением невозобновляемых ресурсов и с приближением к потреблению всей продукции возобновимых ресурсов.
Если же антропогенные воздействия на окружающую среду останутся неизменными и сохранятся существующие экономические тенденции, то «пределы роста на нашей планете будут достигнуты в ближайшие 100 лет» (Данилов-Данильян, Лосев, 2000). Таким образом, один из важнейших лимитирующих факторов выживания человека как биологического вида является ограниченность и исчерпаемость важнейших для него природных ресурсов.
Человек — высшая ступень развития живых организмов на Земле, «биосоциальное существо», генетически связанное с другими формами жизни, но выделившееся из них благодаря способности производить орудия труда, обладающее членораздельной речью и сознанием, творческой активностью и нравственным самосознанием» (И.Т.Фролов, 1985).
Человек — один из видов животного царства со сложной социальной организацией и трудовой деятельностью, в значительной мере «снимающими» (делающими малозаметными) биологические, в том числе этологические (первично-поведенческие) свойства организма (Реймерс, 1990).
Человек — это составная часть живого, и он не может существовать в естественных условиях вне биосферы и живого вещества определенного эволюционного типа. Семейство гоминид, к которому относится человек, возникло в экваториальной части Земли, в восточной части Африки и в Южной Азии. Сохранился лишь один вид — Homo sapiens (человек разумный). Homo sapiens подразделяется на два подвида —неандертальца и современного человека.
Человек, осозновая себя частью природы по происхождению, является ее антагонистом по способу своего жизнеобеспечения. Человек, как и любой другой биологический вид, существует, потребляя энергию Солнца. Однако в ходе эволюционного развития он полностью утерял способность получать свою долю этой энергии за счет внутренних ресурсов природно-равновесных экосистем и смог сохраниться в борьбе за существование, только обретя разум и научившись получать энергию Солнца путем разрушения природных систем и замены их системами с искусственными биогеохимическими циклами, т.е. он изменил свою экологическую нишу таким образом, что его взаимоотношения с биосферой приобрели конфронтационный характер.
Таким образом, появление человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы, приводит к изменению качественного состава самой биосферы, к ее переходу в ноосферу. Т.е. взаимодействие природы и общества, в котором разумная деятельность людей становится главным, определяющим фактором развития.
Научное и практическое значение деятельности В.И.Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени глубоко обосновал единство человека и биосферы. Сама живая материя как носитель разума, отмечал В.И.Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Возникновение человеческого общества явилось результатом деятельности живого вещества в пределах биосферы. Появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы – переход ее в ноосферу, оболочку разума, охваченную целенаправленной деятельностью самого человека.
Хаотическое саморазвитие, основанное на процессах естественной саморегуляции, должно быть заменено разумной стратегией, базирующейся на разумно – плановых началах, регулировании процессов естественного развития. Это управление должно быть лишь «мягким» и следовать только законам природы и развития общества. В основе формирования ноосферы могут быть лишь благо и заинтересованное понимание и волюнтаризм.
Однако многие ученые считают закон ноосферы В.И.Вернадского утопией. По их мнению, эта мечта и вера, конечно, светлая, но весьма далекая от реальности. По их мнению, он точен в том смысле, что если человечество не начнет разумно регулировать свою численность и давление на природу, в соответствии с ее законами, то в измененном виде биосфера может сохраниться, а цивилизация, не исключено и вид «человек разумный» погибнут. Развитие постантропогенной природы весьма трудно прогнозировать. Одно несомненно, управлять люди должны не природой, а прежде всего собой. И в этом смысл закона ноосферы В.И.Вернадского.