Влияние техногенных экосистем на природные экосистемы

Основными источниками и  компонентами техногенного загрязнения  являются: 
органические вещества стоков промышленного и сельскохозяйственного производства и быта (канцерогенные, мутагенные и другие углеводороды); 
твердые отходы добывающих, перерабатывающих и потребляющих отраслей; 
минеральные удобрения, ядохимикаты (гербициды, инсектициды и др.); 
радиоактивные вещества атомных отходов, аварий на электростанциях и др.; 
горячие стоки электростанций и промышленных предприятий; 
неорганические продукты: соли, кислоты, щелочи; 
нефть и нефтепродукты (аварии танкеров, утечка при добыче, нефтепереработке и др.); детергенты (моющие вещества); высокие их концентрации убивают клетки, снижают жизнеспособность биоценозов; шум, вибрация, электрические и магнитные поля; разные химические продукты, содержащие токсические элементы и соединения.

Отметим некоторые особенности  современного техногенеза и его отрицательного воздействия на окружающую среду и развитие биосферы. Для него характерно широкое развитие промышленного производства искусственных минералов и материалов. Техногенез в больших масштабах превращает минеральные и органические вещества биосферы в формы, ранее им не свойственные: свободные металлы, искусственные кристаллы, минералы и породы, полимерные материалы, газообразные и жидкие продукты химического синтеза. Энергия и вещества техногенеза, поступающие в биосферу, получили название технофильных. Величины технофильности (отношения ежегодной добычи химического элемента к его кларку в земной коре) характеризуют степень использования химических элементов в разных отраслях производственной деятельности человека. 
Еще в начале 30-х годов А. Е. Ферсман отметил, что в результате техногенеза человек геохимически переделывает мир. В наше время воздействие техногенеза на геологические и геохимические изменения земной коры во многих случаях превосходит влияние процессов самой природы. Поступление в биосферу химических продуктов техногенеза вызывает ее загрязнение и часто создает новую геохимическую среду миграции химических элементов и их соединений: изменяются кислотность, щелочность, соленость, токсичность, качественное и количественное сочетание элементов, химизм водных растворов, баланс и круговорот вещества. Биологическая адаптация к такой среде требует длительного времени, часто ведет к массовой гибели организмов. 
Из химических элементов особенно токсичны ртуть, мышьяк, свинец, цинк, медь, кадмий, сера, радиоактивные элементы. Крупными загрязнителями биосферы являются окись углерода, сернистый газ, углеводороды. Во многих странах Западной Европы, например, рН  дождевой воды составляет 3—4 и меньше. Поступление в биосферу большого количества кислых аэрозолей и газового материала обусловливает вторичное подкисление почв. А на кислом фоне даже увеличение доз минеральных удобрений не дает положительных результатов. Соответственно росту кислотности вод растут потери из почвы кальция, магния, калия, усиливаются активизация и мобилизация алюминия, железа, марганца, связывание фосфора, что в целом влечет за собой большие изменения агрогеохимического характера. В такой кислой среде активизируется токсический эффект ртути, свинца, кадмия и ряда других тяжелых металлов. Кроме того, кислые осадки вызывают повреждение защитного слоя растений, нарушение нормальной работы клеток и процессов воспроизводства, ускорение опада листьев, низкую сопротивляемость растения в засушливый период, большую подверженность паразитарным инфекциям.

Цифры, характеризующие  техногенное загрязнение биосферы.

В форме твердых отходов  промышленности и быта в нее поступает 20—30 млрд. т вещества, из них 50—60% органических в форме кислотных агентов  газового и аэрозольного характера. Как отмечает В. А. Ковда, в мире выпускается  до 1 млн. различных видов продукции, не бывших ранее в окружающей среде, но нужных для современной индустрии, земледелия, духовной жизни человека. В числе этой продукции до 100000 искусственных соединений и 15000 соединений, требующих особого внимания как  возможные загрязнители.

В мире ежегодно в форме  минеральных удобрений вносится в почву около 100 млн. т азота, фосфора, калия (300—400 млн. в туках). Для борьбы с сорняками и болезнями растений используется около 4—5 млн. т пестицидов, свыше 900 разных химических соединений. Каждый год более 500 000 т различных  токсичных веществ вносятся в  почву и распыляются для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Многие из них существуют 10—12 лет и опасны для живых организмов даже в незначительных количествах. 
В наземной и морской гидросфере заметно накапливаются токсичные вещества, например типа ДДТ, углеводородов и др. Следы ДДТ и других ядохимикатов обнаружены в Балтийском, Северном, Ирландском морях, около побережий Великобритании, Исландии, Португалии, Испании, Италии, США, Канады, в гидросфере океанов. Живые организмы суши и моря впитывают эти вещества и отравляют ими человека и животных, если те употребляют их в пищу. Кроме того, загрязнители упрощают наземные растительные и животные сообщества, вызывая постепенное уменьшение численности видов. Предполагают, что из-за этих веществ сократилось поголовье тюленей в Балтике, промысловой рыбы в Атлантике. Среди животных в силу физиологических особенностей и расположения па верху пищевой цепи в первую очередь страдают хищники. Видовые различия часто играют критическую роль в чувствительности организмов: подавление размножения одного вида сопровождается вспышкой размножения другого. Нарушается экологическое равновесие сообщества. Устойчивые к загрязнителям виды могут оказаться опасной пищей для других животных. Так, некоторые группы организмов (моллюски, черви) обладают природной устойчивостью ко многим галоидорганическим соединениям и склонны накапливать их. Большое отрицательное влияние на экосистемы морей и суши оказывает загрязнение морей, речных и озерных вод нефтью и продуктами ее переработки. Многие растворимые ее компоненты ядовиты и губительны для водных обитателей. Заметно усиливается загрязнение биосферы моющими средствами, пластмассовыми изделиями, радиоактивными отходами, металлами, растворенными в водах.

Сказанное свидетельствует  о том, что техногенное загрязнение  биосферы суши и морей становится явлением, грандиозным по масштабам  и весьма опасным для живых  организмов по последствиям.

Техногенное загрязнение  биосферы (ее ландшафтов) особенно характерно для индустриальных стран. Так, в  США 60% загрязнителей воздуха —  это выхлопные газы автомобилей, содержащих угарный и сернистый  газ, углеводороды и многие другие компоненты. Большую опасность для здоровья человека, особенно детей, представляет отравление свинцом. В ряде крупных  городов США и Западной Европы содержание свинца в атмосфере в 20 раз больше, чем в воздухе  сельской местности, и в 2000 раз больше, чем над открытым морем. С выхлопными газами выбрасывается также большое  количество двуокиси углерода. 
Исследование крови, взятой у 29 млн. американцев-горожан, показало, что их кровь не годится для переливания: она до такой степени загрязнена окисью углерода, что могла бы вызвать смерть больного, страдающего сердечной недостаточностью. В США прямой ущерб от загрязнения воздуха оценивается в десятки миллиардов долларов в год. Он рассчитывается по таким показателям, как стирка одежды, очистка машин, влияние на урожай, коррозия металлов, разрушение памятников и др.

Ежегодный выброс в атмосферу  промышленностью США только фтористых  соединений достигает 120— 150 тыс. т. В  некоторых кормовых травах содержание фтористых соединений в 200 тыс. раз  выше, чем в окружающем воздухе, а  в костях животных в 10—40 раз выше нормы. В ряде промышленных районов  западных стран содержание фтора  в растениях превышает норму  в 20 раз.

Защита биосферы от техногенного воздействия на ее жизненные (биогенные) функции.

К жизненным (биогенным) функциям биосферы мы относим комплекс природных  реакций, вызываемых взаимодействием  живого вещества с другими компонентами природной среды, в результате чего возникает и существует жизнь  на Земле, ее самоорганизация, саморазвитие и саморегулирование. Важнейшими процессами функционирования биосферы являются разрушение и новообразование биогенного и  биокосного вещества, биогенная миграция, обмен веществ, биогеохимические циклы (круговорот) элементов, фотосинтез и т. д., связанные с геохимической деятельностью организмов! Благодаря этому взаимодействию одни компоненты биосферы разрушаются, другие создаются, осуществляется обмен и круговорот веществ (химических элементов и их соединений), происходит мобилизация органических и неорганических веществ и энергии для новых процессов функционирования биосферы, поддерживается экологическое и биохимическое равновесие в форме геохимического постоянства состава атмосферы, педосферы, образования минеральных и биогенных продуктов и т. д. 
Из сказанного видно, что под воздействием хозяйственной деятельности человека современная биосфера характеризуется крупными биологическими и биогеохимическими изменениями в естественных ландшафтах и экосистемах, почвенном покрове, растительном и животном мире, составе биогеоценозов, в структуре и эффективности пищевых (трофических) цепей, в эффективности фотосинтеза, ассимиляции и др. Главными факторами и причинами этих изменений являются расширение урбанизированных и сельскохозяйственных систем за счет сокращения естественных ландшафтов, увеличение энергетического влияния на природную среду, использование флоры и фауны суши и водоемов и питательных веществ, загрязненных токсичными веществами и др. В отдельных регионах это вызывает кризисное состояние биосферы, выражающееся в резком снижении биотических ресурсов, катастрофическом сокращении и исчезновении многих видов организмов, возникновении геоэкологических ситуаций, опасных для жизни людей. В ряде случаев загрязнение биосферы сопровождается большими экономическими потерями и нарушением естественного равновесия, ее динамики, саморазвития, выполнения биохимических и экологических функций. 
Борьба с этими явлениями — актуальнейшая и важнейшая социальная и научно-техническая проблема во всем мире, которая требует огромных материальных затрат и мобилизации научных знаний.

Для решения этих вопросов необходимо, во-первых, больше знать  о закономерностях развития и  потенциальных возможностях продуктивности биосферы; во-вторых, научиться рационально использовать ее ресурсы и умело создавать гармоничную с интересами общества «вторую природу», отвечающую идеям ноосферы. Человек должен глубже изучить законы ее развития, связать их с многогранной технической деятельностью, понимать тенденции изменений, происходящих в окружающей среде, и оптимально обосновывать возможные и необходимые мероприятия по охране природы и воспроизводству природных ресурсов. Совершенно ясно, что дальнейшее взаимодействие общества с природой будет определяться социальными, экономическими и научно-техническими факторами, широким использованием моделирования, прогнозирования, разработкой точных количественных и качественных критериев. 
Рост населения и расширение индустриально-урбанизированных узлов и центров будут сопровождаться сокращением площадей естественных ландшафтов, что в свою очередь будет влиять на генерацию в биосфере кислорода, углекислого газа, азота и других биогенных продуктов, от которых зависит жизнь всех организмов. Все это обусловливает важнейшую задачу науки и техники — обеспечивать природное равновесие в генерации и использовании химических компонентов. Задача нелегкая, но осуществимая.

Очень важно создать такие  условия, чтобы не нарушался основной механизм биосферы — выполнение ее биогеохимических функций (газовой, концентрационной, окисления, восстановительного разложения, метаболизма и дыхания и др.). К сожалению, невозможно предсказать, как изменятся эти функции и какое воздействие это окажет на развитие биосферы в целом, на растительность, животный мир и человека. Очевидно, необходима организация качественных и количественных исследований отдельных биогеохимических функций биосферы применительно к специфическим биоценозам, видам и популяциям разных ландшафтов и экосистем суши и моря.

Особое значение приобретает  разработка теоретических проблем  геохимической экологии растений, животных, микроорганизмов и человека. Главное  здесь сводится к задаче соизмерять многогранную специфику техногенных  воздействий с потенциальными возможностями  экосистем и биосферы и определять те научные и технические мероприятия, которые могут обеспечить максимальную продуктивность почв, растений и животных, не ухудшая их природного потенциала и не вызывая отрицательных последствий. 
Нарушение экологических равновесий биосферы, как уже отмечалось, часто приводит к необратимым последствиям. Особенно восприимчивы к нарушению этих равновесий рыбы, многие птицы (сапсан, бермудский тайфунник, белоголовый орлан), прибрежные океанические водоросли, ракообразные (краб-плавунец, рак-отшельник), моллюски (сетчатый, маленький гребешок), иглокожие (обыкновенная морская звезда). Загрязненная техногенными продуктами экосреда вызывает патологические и токсические заболевания у человека и животных. Установлено, что яды вырабатываются как в организме, так и в питательной среде. С водорослями связаны гастроэнтериты (желудочно-кишечные заболевания), с бактериями — холера, дизентерия, тифозные заболевания, с простейшими — амебная дизентерия (язвенное поражение толстой кишки с образованием гнойничков в печени, легких и других внутренних органах). В числе вирусных заболеваний, составляющих значительную часть инфекционных заболеваний,— полиомиелиты, гепатиты, энцефалиты и др. Пестициды и токсичные элементы усиливают патогенность среды.

По этим причинам проблема «Человек—биосфера» постоянно находится  в центре внимания мировой общественности. Естественно, что построение научных  основ теорий и концепций современного экологического учения должно базироваться прежде всего на знании природных закономерностей развития и эволюции экосистем, анализе изменений, которые вносит в экосистемы техногенез, синтезе явлений, связанных с необходимостью и допустимой возможностью в изменении природных экосистем при осуществлении разнообразных плановых мероприятий по развитию производительных сил общества и защитных мероприятий по охране окружающей среды. 
Следует еще раз особо подчеркнуть, что человек и природная среда составляют единое целое; возможности биосферы в отношении ресурсов и жизненных условий взаимосвязаны, взаимозависимы и ограничены; для решения сложных проблем экологии окружающей среды в интересах общества недостаточно одной технологии, необходимо привести с действие экономические, правовые и моральные нормы; современный человек, вооруженный новейшими достижениями науки и техники, должен целенаправленно и разумно управлять развитием экосистем, их продуктивностью и использованием защитных средств, благоприятствующих требованиям общественного развития; для эффективного решения указанных вопросов биосфера нуждается в целенаправленных исследованиях и разработке фундаментальных основ ее теории и практики. 
Изучение физических, химических и биологических закономерностей, определяющих формирование экосреды, оптимальное использование методов и способов управления природными процессами, представляет наибольший интерес для науки и техники как в настоящее время, так и в перспективе. Необходимо расширить геохимические, биологические и физиологические исследования по выявлению вредного влияния на человека отходов новых химических производств, определить комплексное воздействие хемогенных и биогенных компонентов на физиологическую его деятельность; разработать новые технологические способы, исключающие загрязнение биосферы промышленными и бытовыми отходами. Решение проблем оптимальной экосреды во многом зависит от оценки возможного развития геологической и геохимической среды преобразуемой окружающей природы в результате застройки, использования подземных вод, эксплуатации металлических и неметаллических полезных ископаемых и др.

Возобновляемые  энергоресурсы.

Природные экосистемы устойчивы, потому что существуют за счет неисчерпаемой  и экологически чистой солнечной  энергии. Энергетические ресурсы человеческой цивилизации, напротив, не бесконечны, и их использование связано с  загрязнением и разрушением природы. Поэтому, чтобы обрести устойчивость, общество будущего должно перейти к эксплуатации возобновляемых источников энергии, которые сохраняются тысячи лет без изменений. Во всем мире широко используется энергия падающей воды, однако есть и более экологически безвредные технологии, например, строительство ветровых электростанций или сооружений, улавливающих энергию приливов (в мире работают две приливных электростанции - во Франции и России). В некоторых странах (Мексике, Италии, Японии, США и на Филиппинах) эксплуатируют геотермальную энергию. Внутренняя часть Земли представляет собой расплавленную горную породу. Ее тепло можно использовать там, где с горячими горными породами соприкасаются грунтовые воды и вырываются на поверхность в виде фонтанов - гейзеров. Однако необходимо помнить, что подземные воды часто содержат примеси солей и соединений серы, выброс которых в окружающую среду может привести к экологической катастрофе.