Экология, окружающая среда и человек

Экология — это наука, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов и т. п.) между собой и с окружающей их неорганической природой; общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня; среду обитания живых существ (включая человека).

Глобальная экология изучает биосферу в целом, т. е. экологическую систему, охватывающую земной шар. К числу главных задач современной глобальной экологии относятся изучение антропогенных изменений в среде обитания и обоснование методов ее сохранения и улучшения в интересах человечества. В связи с этим важнейшее значение приобретает прогнозирование изменений экологической ситуации в будущем и на этой основе разработка на ближайшие годы и на отдаленную перспективу мероприятий, направленных на сохранение и улучшение среды обитания людей, на предотвращение нежелательных изменений биосферы.

Экология как наука сформировалась в середине XIX столетия, когда возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и их взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным закономерностям. В 1866 г. немецкий естествоиспытатель Эрнест Геккель в двухтомной монографии «Общая морфология организма» назвал экологией один из разделов биологии — науку об условиях обитания организмов в окружающей их среде. От древнегреческого oikos (дом, жилище) образовано не только наименование этой науки, но и понятие «ойкумена» (эку-мена), служащее для обозначения природы, освоенной и обжитой человеком. Ныне, когда человек осваивает космос, ойкумена вышла за пределы Земли, а экология, пусть еще не как знание, но хотя бы как термин, проникла в сознание каждого, она перестала быть отраслью одной лишь биологии, на родство с ней претендуют и география, и политэкономия, и философия, да и весь комплекс естественных и общественных наук. Более того, экология вышла за рамки научного понятия и стала предметом тревог и забот каждого государства и каждой личности. Экология, следовательно, касается всех, ибо экологический кризис, если он перерастет в экологическую катастрофу, не пощадит никого.

Интерес к экологии в мире возрастал по мере внедрения в хозяйственную практику достижений научно-технической революции. В 60—70-е годы XX в. усилилась прикладная направленность экологии, связанная с изучением экосистем и биосферы в целом, а именно круговорота воды и воздуха как целого с выделением отдельных его компонентов: цепей питания; глобального загрязнения окружающей среды; системного анализа и управления как средой обитания, так и деятельностью человека.

Устойчивое функционирование биосферы как целостной системы обеспечивает условия жизни человечества как одной из составных частей глобальной экосистемы. Непонимание законов функционирования экосистем разного уровня или недостаточный их учет стали причинами современного кризисного состояния биосферы. Проблема экологической безопасности в наши дни приобрела всеобщее, в том числе и политическое, значение, став на один уровень с проблемой ядерной безопасности. Однако сложившееся представление о том, что экологические проблемы сводятся лишь к борьбе с загрязнением среды, тормозит создание глобальной системы экологической безопасности. Чтобы выйти из экологического кризиса, необходимо познать и практически использовать фундаментальные законы формирования, устойчивости и методов рациональной эксплуатации экологических систем.

Организмы, живущие в биосфере, можно изучать на уровне популяций, сообществ и экосистем.

Популяцией называют группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии, совместно населяющих общую территорию и воспроизводящих себя в поколениях (лат. populus — народ, население). Экологическую популяцию, таким образом, можно сформулировать как население одного вида на определенной территории.

Сообщества организмов связаны теснейшими материальноэнергетическими отношениями с неорганической средой. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений с использование энергии Солнца, называют ав-тотрофами, а с использованием энергии, освобождающейся при химических реакциях, — химотрофами. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, относят к гетеротрофам.

Группировки совместно обитающих и взаимосвязанных организмов именуют биоценозами (лат. bios — жизнь и koinos — общий). Масштабы биоценозов различны: от сообществ подушек лишайников на стволах деревьев или разлагающегося пня до ландшафтов — лесов, степей, пустынь и т. п.

Биогеоценоз (экосистема) — сложный природный комплекс живых существ, взаимодействующих с неорганической средой и находящихся в материально-энергетической зависимости от нее. По своей сущности это динамическая уравновешенная система, сложившаяся в результате длительной и глубокой адаптации составных компонентов, в которой происходит круговорот веществ. Биогеоценозы — не простая совокупность живых организмов и их среды обитания, а особая, единая форма существования организмов и окружающей среды, диалектическое единство всех экологических компонентов, обусловленное взаимозависимостью и при-чинно-следственными связями.

Биогеоценозы земного шара образуют биогеоценотический покров, который изучает биогеоценология. Основал эту науку выдающийся русский ученый В. Н. Сукачев. Совокупность всех биогеоценозов нашей планеты составляет гигантскую экосистему — биосферу. Биогеоценозы могут формироваться на любом участке земной поверхности — на суше и на воде. Они бывают степными, болотными, луговыми и т. д. Большое значение в функционировании биосферы имеют гидробиоценозы. Участки земной поверхности, покрытые культурными растениями, называются агрофитоценозами.

В структуре любого биогеоценоза можно выделить четыре функциональных компонента:

1) абиотическое окружение, т. е. весь комплекс неживой природы, откуда биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты обмена;

2) комплекс автотропных организмов, обеспечивающих орга-, ническими веществами, а следовательно, и энергией все

остальные организмы, — это первичные продуценты органического вещества, ассимилирующие солнечную энергию (фототропные растения, фотосинтезирующие бактерии);

3) комплекс гетеротропных организмов — консументов, живущих за счет питательных веществ, созданных первичными продуцентами. Консументами считаются животные и бес-хлорофильные растения;

4) комплекс организмов, разлагающих органические соединения до минерального состояния. Это редуценты, или деструкторы, представленные микроорганизмами — бактериями, грибами, простейшими, а также организмами, которые питаются мертвыми органическими веществами.

Между всеми четырьмя звеньями существует закономерная связь.

Каждый живой организм или их совокупность выполняют определенную биологическую функцию, которая либо начинает какой-то процесс, либо служит его промежуточным звеном, либо завершает его. Такая согласованная и взаимосвязанная деятельность живых организмов Земли находится в самой тесной связи с окружающей средой и ее основными факторами физического, химического, биологического характера и создает сложное построение жизни в разных ее проявлениях — экологическую систему.

Основные законы экологии, обоснованные Б. Коммонером в 1971 г., кратко можно сформулировать следующим образом.

1. Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе).

2. Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды).

3. Природа «знает» лучше (пока у нас нет абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы можем навредить природе, пытаясь ее улучшить).

4. Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

Среди других законов, принципов и правил можно отметить следующие:

♦ вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные перемены всех систем и их иерархии;

♦ слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но, накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса (X. Боумен);

♦ жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близко к необ-холимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или деструкции экосистемы (Ю. Либих);

♦ экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первозданное состояние;

♦ сокращение естественной биоты в объеме, превышающем пороговое значение, лишает окружающую среду устойчивости, которая не может быть восстановлена путем создания очистных сооружений и перехода к безотходному производству (В. Г. Горшков);

♦ лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма по отношению к данному фактору (В. Шелфод);

♦ любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Последний приведенный нами закон имеет важное теоретическое и практическое значение из-за основных следствий:

♦ абсолютно безотходное производство невозможно (как и создание «вечного» двигателя). Поэтому необходимы малоотходные производства с низкой ресурсоемкостью как на входе, так и на выходе (экономичность и незначительные выбросы). Идеальны циклическое производство (отходы от одних процессов служат сырьем для других) и разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков, нейтрализация неустраняемых энергетических отходов;

♦ любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни — она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека;

♦ при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье—Браун);

♦ явление, удаленное во времени и пространстве, кажется менее существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто становится основой неверных практических действий);

♦ неожиданное усиление болезнетворности (способности распространять инфекционные заболевания) возникает при мутации нездорового организма, введении нового болезнетворного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции численности, поэтому для экосистемы изменяется среда жизни;

♦ виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутреннее устойчивое, но не единое, а взаимно увязанное системное целое (К. Мабиус — Г. Ф. Морозов);

♦ вид организма может существовать до тех пор, пока окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям;

♦ экологическая ниша, т. е. место вида в природе, обязательно будет заполнена. Например, в бамбучниках о. Сахалин нет мелких хищников (они обитают в долинах многочисленных рек и на водоразделы не заходят), и их экологическую нишу заполнили серые крысы — грызуны, обладающие повадками хищников.

Некоторые ученые считают, что подтверждением этого правила служит возникновение новых заболеваний. Так, за десять лет до выявления СПИДа (синдрома приобретенного иммунодефицита) было предсказано появление гриппоподобного вируса с высоким процентом летального исхода, поскольку, победив многие инфекционные болезни, человек высвободил экологические ниши, которые обязательно должны быть заполнены;

♦ конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу;

♦ и тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю экологическую систему в целом;

♦ в ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподцержания (самоорганизации и саморегуляции);

♦ «жесткое», как правило техническое, управление природными процессами чревато цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми.

Учение о биосфере

Учение о биосфере — тонкой оболочке Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов, — вершина научных достижений В. И. Вернадского. Биосфера, по мнению ученого, состоит из семи взаимосвязанных веществ: живого, биогенного, косного, биокосного, радиоактивного, космического, рассеянных атомов. Везде в ее пределах встречаются либо само живое вещество, либо следы его биохимической деятельности. Воздух, вода, нефть, уголь, известняки, глины, сланцы, мрамор и гранит созданы живыми веществами планеты. Верхние слои земной коры, лишенные в настоящее время жизни, в другие геологические эпохи были переработаны живыми организмами. Самой простой структурой современной активной части биосферы является биогеоценоз.

Учение Вернадского стало основой современного представления о взаимосвязях и сопряженной эволюции всех структур биосферы. Именно этой идеологией руководствуются ученые, разрабатывающие международные и национальные программы «Международное гидрологическое десятилетие», «Всемирная климатическая программа», «Международная биологическая программа». Естественно, учение о биосфере служит научной основой рационального хозяйствования и решения экологических проблем. Вернадский считал, что появление человека ознаменовало новый этап развития биосферы, и теперь от него зависит ее судьба. Следовательно, человечеству необходимо выработать единую стратегию взаимодействия с природой, сформировать экологическое сознание, новое мышление, создать качественно новые технологии.

В 20-х годах XX в. В. И. Вернадским было разработано учение о

биосфере как глобальной единой системе Земли, где основной .У» ход геохимических и энергетических превращений определяется ' жизнью. Ранее большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик нашей планеты, рассматривалось как чисто физические, химические или физико-химические явления (размыв, растворение, осаждение, гидролиз и т. п.). Вернадский впервые создал учение о геологической роли живых организмов, показав, что деятельность живых существ служит главным фактором преобразования земной коры. Идеи Вернадского в должной мере были оценены лишь во второй половине XX в., когда возникла концепция экосистем.

Вернадский писал, что участие каждого отдельного организма в геологической истории Зем ), однако живых

существ на Земле бесконечно много, и они, обладая высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и в конечном счете представляют в совокупности особый, глобальный фактор развития, преобразующий верхние оболочки Земли.

Живые организмы бесконечно разнообразны, распространены повсеместно, воспроизводятся во многих поколениях, обладают избирательностью биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, которое характеризуется суммарной массой, химическим составом и энергией. О роли живых организмов на Земле Вернадский писал: «Можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами; несомненно, что энергия, придающая биосфере ее обычный облик, имеет космическое происхождение. Она исходит из Солнца в форме лучистой энергии. Но именно живые организмы, совокупность жизни, превращают эту космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Это живые организмы, которые своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, своей смертью и своим разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное, длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением, размножением порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы»1.

По мнению ученого, неизбежен единственно правильный подход к биосфере как к целостной глобальной экологической системе, обладающей определенной структурой и устойчивостью, присущими ей особенностями формирования и развития. Такое понимание биосферы особенно важно сейчас, когда техногенное воздействие человека на природу достигло небывалых масштабов и способно вызвать планетарные изменения среды обитания человека.

В пределах биосферы практически каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов, включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты — продукт фотосинтеза — обновляется через каждые 2000 лет, а углекислота — через 300 лет.

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

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

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

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

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

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

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

Конечно, вряд ли можно ожидать, что эпоха ноосферы возникнет на Земле стихийно. Сам по себе может развиваться лишь процесс деградации. И он уже идет, и на территории России в том числе. Загрязнение атмосферы, воды и почвы во многих наших городах и регионах во много раз превышает безопасные для здоровья людей нормы. Очистные сооружения на промышленных предприятиях и сельскохозяйственных объектах, а также в канализационных системах зачастую находятся в предаварийном состоянии. Учащающиеся нарушения их нормального функционирования приводят к катастрофам.

О глобальной экологической катастрофе вследствие бесконтрольного и ничем не ограниченного роста производства и потребления в промышленно развитых странах настоятельно предупреждал русский ученый Н. Моисеев. В обобщенном виде его предупреждение можно изложить следующим образом: если в ближайшем будущем человечество не изменит кардинально своего поведения в планетарном масштабе в отношении природы и во взаимоотношениях на личностном, межнациональном и межгосударственном уровнях, то уже к середине наступившего XXI в. на Земле могут сложиться такие экологические условия, при которых род человеческий не сможет существовать.

Особую тревогу вызывает тот факт, что биосфера до сих пор не отреагировала на произошедшее за последние сто лет существенное увеличение — на 20—21 % — доли углекислого газа в атмосфере планеты. Поскольку этот газ служит пищей для растительных организмов, в результате естественных процессов общий объем биомассы Земли должен был значительно возрасти. Но этого почему-то не произошло, а отсутствие такой реакции — грозный симптом.

Возможно, это свидетельствует о том, что биосфера уже утратила (или начинает утрачивать) присущую ей способность компенсировать происходящие в ней возмущения, под воздействием которых она может перейти в новое состояние, непригодное для существования человека.

Однако, к величайшему сожалению, эта весьма вероятная угроза всему человечеству до сих пор не стала предметом рассмотрения ни в ООН, ни в каких-либо иных международных организациях. И ни одно правительство в мире, включая наше, на официальном уровне не признает и не опровергает существование такой угрозы. Политики как бы не замечают ее.

Корпорации, базирующиеся в странах «золотого миллиарда», кровно заинтересованы в поддержании такого мирового экономического порядка, при котором 14% населения Земли потребляют 86% мировых природных ресурсов.

Замалчивание политическими деятелями неизбежных катастрофических последствий такого «устойчивого развития» для судьбы всего человечества помогает сохранять это соотношение и лишает обделенное большинство жителей Земли даже призрачной надежды на то, что когда-нибудь это соотношение изменится.

Возможно, в каких-нибудь странах абсолютной бедности, где сегодня проживают около 60% населения Земли, среднедушевой годовой доход увеличился на несколько десятков долларов США, а в странах относительной бедности, жители которых составляют более четверти всего человечества, — на несколько сотен долларов. Но преодолеть отсталость они не смогут. Чтобы удовлетворить платежеспособный спрос «золотомиллиардников», транснациональные корпорации будут и впредь откачивать из развивающихся стран все лучшее, что у них есть.

Остановить разрушительное воздействие нынешней постиндустриальной системы общественного жизнеустройства на природу можно лишь при выработке и поэтапной реализации всеми странами новой социально-экономической доктрины. Ее определяющим принципом должно быть признание природных ресурсов, водных и воздушных бассейнов общечеловеческим достоянием. Через этот принцип должно быть реализовано неотъемлемое право каждого человека на доступ к природным благам.

Важно обратить внимание на Хартию Земли и возможность ее принятия в качестве официального документа ООН. «Хартия (Декларация) Земли» содержит фундаментальные принципы для создания справедливого, устойчивого и мирного глобального общества в XXI в. Этот документ — своеобразный аналог Декларации прав человека в области окружающей среды. И, конечно, новая гонка вооружений, в частности продолжение США широкомасштабных экспериментов в сфере целенаправленного и мощного воздействия на околоземную среду радиоволнами высокой частоты, т. е. фактически создания геофизического оружия, несущего колоссальную потенциальную опасность для человечества, совершенно несовместима с Хартией Земли.

Россия, как известно, по своему национально-природному богатству более чем в 2 раза превосходит и США, и Западную Европу. Но если Европа использует это богатство на 50%, то Россия — всего на 2%.

Россия способна внести свой весомый вклад в ноосферную безопасность планеты, следуя новой экоэтике XXI в. Для этого ей предстоит укреплять подлинно коллективную безопасность не только на трех уровнях (в постсоветском пространстве СНГ, в расширенном и измененном формате НАТО и параметрах «Шанхайской шестерки»), но и на общепланетарном уровне.

Круговорот основных элементов в биосфере — это многократное участие веществ в процессах, происходящих в атмосфере и гидросфере, в том числе в тех слоях, которые входят в биосферу планеты. Особое значение имеют круговороты кислорода, углерода, азота, серы и фосфора. Биогеохимический цикл кислорода — планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой. Узловыми звеньями круговорота являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе в зеленых растениях, потребление кислорода для дыхания всеми живыми организмами, окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и другие химические преобразования, которые ведут к образованию таких окисленных соединений, как углекислый газ, вода, и последующему вовлечению их в новый цикл фотосинтети-ческих превращений.

В круговороте кислорода отчетливо проявляется активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Исходя из массы органического вещества, синтезированного в течение года (с учетом 15%, потраченных на процесс дыхания), можно заключить, что ежегодное продуцирование кислорода зеленой растительностью планеты составляет около 300 х 109 т. Лишь немногим более 25% этого количества выделяется растительностью суши, остальное — фотосинтезирующими организмами Мирового океана (свободный кислород присутствует не только в атмосфере, в растворенном состоянии он содержится и в природных водах). Суммарный объем вод Мирового океана равен 137 х 109 л, а в 1л воды растворено от 2 до 8 см3 кислорода. Следовательно, в водах Мирового океана находится от 2,7 до 10,9 х 1012 т растворенного кислорода. Часть органического вещества захороня-ется, вследствие чего из годичного круговорота выводится связанный кислород.

За всю историю человечества потребление топлива составило:
к 1980 г.		к 2000 г.
каменный уголь, млрд т	8	Суммарный расход:
нефть, млрд т	30	топлива, млрд т	55-900
природный газ, трлн м3	7,3	кислорода, млрд т	800-900
На сжигание топлива израс		Поступил в атмосферу
ходовано кислорода, млрд т	273	углекислый газ, млрд т	950-1050
Поступил в атмосферу
углекислый газ, млрд т	322
Ежегодное потребление кислорода на Земле, млрд т 1986 г. (4,8 млрд чел.) 2000 г. (6 млрд чел.)1,8 2,6

С учетом всех видов расхода ежегодное потребление составляет 210— 230 млрд т, продуцируется 240 млрд т.

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

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

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

В биосфере в целом фиксация азота из воздуха составляет в среднем за год 140—700 мг/м3. В основном это биологическая фиксация, и лишь небольшое количество азота (в среднем не более 35 мг/м3 в год) регистрируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Высокая интенсивность фиксации отмечена в некоторых загрязненных озерах с множеством синезеленых водорослей. В океане, где продуктивность ниже, фиксация азота в расчете на 1 м3 меньше, чем на суше. Однако общее количество фиксированного азота весьма значительно и важно для глобального круговорота.

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

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

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

В биосфере хорошо развит процесс циклических превращений серы и ее соединений.

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

На круговорот азота и серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение воздуха, сжигание ископаемого топлива значительно увеличило содержание в воздухе летучих окислов азота (NO и М0₂) и серы (S0₂), особенно в городах. Их концентрация становится опасной для биотических компонентов экосистем.

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

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

Человек должен планировать свою хозяйственную деятельность с учетоМ:Цикличности природных процессов. Особенно тщательно это следует делать в земледелии, пастбищном животноводстве, водоснабжении, навигации. Распашка, внесение минеральных удобрений, загрязнение нефтью и тяжелыми металлами обедняют фауну почвы. Нарушаются и даже полностью выпадают звенья нормальных пищевых цепей и биогеохимических циклов. Реакция почвы на вмешательство человека необычайно велика.

Запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих их организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись как в течение жизни организмов, так и после их смерти. Ведь общество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, образует круговорот.

Основным механизмом удержания солнечной энергии и образования фитомассы, включающей огромные количества углерода, воды и распространенных биофилов, становятся биогеоценозы лесных и травянистых ландшафтов.

К невозобновимым ресурсам относятся богатства недр. Использование этих ресурсов возможно только один раз (хотя некоторые металлы могут служить вторичным сырьем), и оно неизбежно приводит к истощению их запасов, такие виды ресурсов имеют конечные запасы, и пополнение их на Земле практически невозможно из-за отсутствия условий, в которых они возникли много миллионов лет назад, или происходит оно очень медленно.

К возобновимым ресурсам принадлежат почва, растительность, животный мир, а также некоторые минеральные ресурсы, например, соли, осаждающиеся в озерах и морских лагунах, они могут воспроизводиться в природных процессах и поддерживаться в некотором постоянном количестве, определяемом уровнем их ежегодного воспроизводства и потребления.