ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра биологии имени академика Е.Н.Павловского
"УТВЕРЖДАЮ"
Заведующий кафедрой биологии
профессор
А.НИКИТИН
" "_________ 2013г.
Доктор медицинских наук профессор
Никитин А.Ф.
Л Е К Ц И Я N 15
по биологии на тему
«ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА. ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ»
для курсантов и слушателей I курса 2 факультета
по специальности «Медико-профилактическое дело»
Обсуждена на заседании кафедры
" " ________________ 2013г.
Протокол N____________________
САНКТ - ПЕТЕРБУРГ
2013г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Термин <биосфера> введен австралийским геологом Э. Зюссом в 1875 для обозначения особой оболочки Земли, образованной совокупностью живых организмов, что соответствует б и о л о г ич е с к о й концепции биосферы. В указанном смысле названный термин используется рядом исследователей и в настояшее время. Представление о широком влиянии жизни на природные процессы было сформулировано В. В. Докучаевым, который показал зависимость процесса почвообразования не только от климата, но и от совокупного влияния растительных и животных организмов.
В. И. Вернадский развил это направление и разработал учение о биосфере как глобальной системе нашей планеты, в которой основной ход геохимических и энергетических преврашений определяется живым вешеством. Он распространил понятие биосферы не только на сами организмы, но и на среду их обитания, чем придал концепции биосферы б и о г е о х им и ч е с к и й смысл. Большинство явлений, меняюших в масштабе геологического времени облик Земли, рассматривались ранее как чисто физические, химические или физико-химические (размыв, растворение, осаждение, выветривание пород и т. д.).В. И. Вернадский создал учение о геологической роли живых организмов и показал, что деятельность последних представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. С именем В. И. Вернадского связано также формирование со ц и а л ь н о-э к о н о м и ч е с к о й концепции биосферы, отражаюшей ее преврашение на определенном этапе эволюции в ноосферу вследствие деятельности человека, которая приобретает роль самостоятельной геологической силы.
На лекции рассматриваются следующие вопросы:
1.Биосфера как глобальная экосистема;
2. Влияние антропогенного фактора на биосферу;
3. Охрана природы и рациональное природопользование, роль военного врача в системе природоохранительных мероприятий;
4. Заключение курса биологии
1. Б и о с ф е р о й называется оболочка Земли, которая населена и активно преобразуется живыми сушествами. Согласно В. И. Вернадскому, биосфера - это такая оболочка, в которой сушествует или сушествовала в прошлом жизнь и которая подвергалась или подвергается воздействию живых организмов. Она включает: 1) живое вешество, образованное совокупностью организмов; 2) биогенное вешество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.); 3) косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектоничес-
кой деятельности, метеориты); 4) биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).
Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включаюшую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью распространения организмов в атмосфере, гидросфере и литосфере Верхняя граница биосферы проходит примерно на выСОТЕ 20 км. Таким образом, живые организмы расселены в тропосфере и в нижних слоях стратосферы. Лимитируюшим фактором расселения в этой среде является нарастающая с высотой интенсивность ультрафиолетовой радиации. Практически все живое, проникающее выше озонового слоя атмосферы, погибает. В гидросферу биосфера проникает на всю глубину мирового океана, что подтверждается обнаружением живых организмов, и органических отложений до глубины 10 - 11 км. В литосфере область распространения жизни во многом определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии -- живые организмы обнаружены до глубины примерно 7,5 км. Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и, особенно, биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют: кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря в значительной мере вулканической активности, а кислород - в результате фотосинтеза.
Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности земного шара. Обшая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км. Около 24 млн. км воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км (из них половина соленые), а рек - 0,002 млн. км. Количество воды в телах живых организмов достигает примерно 0,001 млн. км . Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует, а обшее количество его в океане в 60 раз превышает его количество в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, выделившей за геологическую историю Земли значительный обьем водяного пара и так называемых ювенильных (подземных магматических)вод.
Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы, будучи, по терминологии В. И. Вернадского, биокосным веществом, представлены минеральными вешествами, образуюшимися при разрушении горных пород, и органическими веществами – продуктами жизнедеятельности организмов.
Живые организмы (живое вещество). В настояшее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн. видов животных. Из этого количества 93~с представлено сухопутными, а 7~в водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2 %, зелеными растениями (2,4 х10 т) и на 0,8 % -- животными и микроорганизмами (0,2 х 10 т) .В океане, напротив, на долю растений приходится 6,3 % , а на долю животных и микроорганизмов 93,7% (0,3 х 10 " т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает немногим более 70 % поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13 % биомассы всех живых существ, обитающих на Земле. Расчеты показывают, что растения составляют около 21%в всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99%в биомассы, тогда как вклад в биомассу планеты животных, которыми представлено 79% видов, составляет менее 1%. Среди животных 96% видов приходится на долю беспозвоночных и только 4%в на долю позвоночных, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%. Приведенные соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность организации биосферы: в количественном отношении преобладают формы, достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса.
Живое вещество по массе составляет 0,01 - 0,02% от косного вешества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря совершающемуся в живых организмах обмену вешеств.
Жизнь зародилась на Земле свыше 3 млрд. лет назад. Первыми живыми существами были анаэробы, которые получали энергию путем брожения. Так как брожение представляет собой относительно ыалопродуктивный способ энергообеспечения, примитивная жизнь не могла эволюционировать далее одноклеточной формы организации. Питание таких примитивных организмов зависело от опускавшихся на дно водоемов органических веществ, синтезируемых в поверхностных слоях воды абиогенным способом. Недостаток органических веществ создал давление отбора, приведшее к возникновению фотосинтеза. Прогрессивное увеличение кислорода в воде за счет жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов и его диффузия в атмосферу вызвали изменения в химическом составе оболочек Земли, и прежде всего атмосферы, что, в свою очередь, сделало возможным быстрое распространение жизни по планете и развитие более сложно организованных живых форм. По мере увеличения содержания кислорода в атмосфере формируется достаточно мощный слой озона, который зашищает поверхность Земли от проникновения жесткого ультрафиолетового излучения. В таких условиях жизнь смогла продвинуться к поверхности моря. Развитие механизма аэробного дыхания сделало возможным появление мнэ гоклеточных организмов. Примечательно, что первые такие организмы появились после того, как концентрация кислорода в атмосфере планеты достигла примерно 3%,что произошло около 600 млн. лет назад (начало кембрия). Благодаря способности фотосинтезирующих морских организмов продуцировать такое количество кислорода, которое превышало потребности в нем обитателей планеты того времени, стало возможным на основе возникновения в про
цессе эволюции организмов ; более высокого уровня структурно-физиологической организации широкое расселение и проникновение жизни в различные среды обитания, причем за сравнительно короткое время. В течение палеозойской эры жизнь не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Развитие зеленых растений обеспечило образование больших количеств кислорода и органических веществ, что создавало благоприятные условия для последующей прогрессивной эволюции.
В середине палеозоя темпы потребления кислорода живыми организмами и расход его в абиотических процессах и темпы его образования сравнялись. Содержание кислорода в атмосфере, начиная с этого периода истории Земли стабилизировалось.
С появлением человеческого общества в развитии биосферы намечается переход от биогенеза, обусловливаемого факторами биологической эволюции, к ноогенезу - развитию под влиянием разумной созидательной деятельности человечества.
Эволюция органического мира прошла несколько этапов. Первый из них - возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом, второй - усложнение структуры биотического компонента биосферы в результате появления многоклеточных организмов. Эти два этапа, осуществлявшиеся в связи с чисто биологическими закономерностями жизнедеятельности и развития, могут быть объединены п е р и о д б и о г е н е з а. Третий этап связан с возникновением человеческого обшества. Разумная по своим намерениям деятельность людей в масштабе биосферы способствует преврашению последней в ноосферу. На рассматриваемом этапе эволюция происходит под определяющим. воздействием человеческого сознания в процессе производственной (трудовой) деятельности людей, что свойственно периоду ноогенеза.
Понятие н о о с ф е р ы было введено в науку французским филофом Э. Леруа (1927). Ноосферой Э.Леруа назвал оболочку Земли, включаюшую человеческое общество с его индустрией, языком и прочими атрибутами разумной деятельности. Высказав правильную идею о сознательной человеческой деятельности как факторе, преобразующем биосферу, Э. Леруа и некоторые его последователи дали ей идеалистическую трактовку. Ноосфера, по их мнению, представляет собой <...мыслящий пласт>, который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается с тех пор над миром растений и животных вне биосферы и над ней.
В противоположность приведенной трактовке В. И. Вернадский развивал материалистическое представлейие о ноосфере, понимая под ноосферой не нечто внешнее по отношению к биосфере, а новый этап в ее развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.
2. Воздействие человека на окружающую среду особенно усилилось с началом промышленной революции и продолжает возрастать беспрецедентными темпами. Наряду с положительными для человека преобразованиями природы: повышением плодородия почв, выведением обладающих уникальными свойствами культур растений, пород животных и т.п., начиная со второй половины ХХ века, все явственнее стали обнаруживаться отрицательные экологические последствия научно-технического прогресса. Постепенно пришло осознание, что причина экологического неблагополучия коренится в характере отношений человека с окружающей его природой, которые все чаще вступают в противоречие с фундаментальными принципам устойчивого развития экостистем .Действительно, человек так и не решив проблему использования экологически чистой энергии, во все возрастающих объемах извлекает из биосферы разнообразные ресурсы, выбрасывает в окружающую
среду производственные отходы в таких количествах, что естественные экосистемы не в состояния их перерабатывать. Современные промышленность и сельское хозяйство производят многочисленные материалы и вещества, которые не включаются в естественные биогеохимические циклы и по этой причине не могут утилизироваться естественными экосистемами.Все это вызывает нарушение баланса между вступающими в биогеохимические циклы веществами, приводит к тому, что их круговорот становится незамкнутым, а окружающая среда подвергается загрязнению. Столь же негативны для природных экосистем и воздейсвия человека на окружающей его биоту, по отношению к которой "он ведет себя подобно интродуцированному виду, не встречающему естественных врагов". Положение усугубляется тем, что результаты влияния человека на биоту чрезвычайно трудно прогнозировать, так как возникающие в биоценозах негативные изменения, благодаря наличию гомеостатических и других механизмов, в течение длительного времени, могут находиться, как бы в "скрытом" состоянии. Однако такие изменения, постепенно накапливаясь и достигая "критической массы", способны вызывать необратимые нарушения биоценозов.
С середины ХХ века антропогенные воздействия на природу приняли глобальный характер. Деградация природных экосистем, загрязнение окружающей среды возросли в такой степени, что дали основание говорить об экологическом кризисе, как отражении тех неблагоприятных изменений в биосфере, которые непосредственно угрожают самому существованию человека, как биологического вида.
Для того, чтобы лучше уяснить сущность этой проблемы рассмотрим основные пути и последствия воздействия человека на природу в связи с принципами устойчивого развития естественных экосистем.
Прогресс цивилизации можно представить себе как перманентный процесс замены человеческого труда альтернативными источниками энергии. На протяжении почти всей истории цивилизации ее главным источником была физическая энергия человека, дополняемая энергией животных, воды и ветра. С началом промышленной революции круг источников энергии быстро расширился. В ХХ веке широкое применение в качестве энергоносителей получили каменный уголь и нефть, относящиеся к одним из наиболее " грязных" в экологическом отношении энергоносителей. Не решило проблему получения экологически чистой энергии и использование ядерного топлива, поскольку реакции деления сопровождаются образованием долгоживущих радиоактивных изотопов. Например, стронций-90 имеет период полураспада равный 28 лет. Поэтому надежное захоронение ядерных отходов представляет исключительно сложную техническую задачу, решение которой, как полагают многие специалисты, все еще не найдено. Нельзя не учитывать и воз-
можность возникновения аварий атомных реакторов с их поистине катастрофическими для окружающей среды последствиями. Использование гидроэлектроэнергетики также неизбежно связано с побочными отрицательными последствия для окружающей среды в виде разрушения естественных биогеоценозов, изменения микроклимата и т.п. По существу в настоящее время имеется лишь три экологически чистых источника энергии: ветротурбины, солнечные батареи и природный газ. Однако, их доля в общем энергопотреблении остается все еще весьма незначительной. По мнению ряда видных экологов в современный период именно энергетика служит одним из наиболее мощных каналов загрязнения окружающей среды.
Наряду с энергией человечество постоянно потребляет разнообразные ресурсы в виде почвы, воды, воздуха, природной биоты , различных минералов, вовлекая их в антропогенные круговороты вещества. По ряду параметров масштабы их использования уже сопоставимы с изменениями, возникающими в ходе биосферных процессов. Например, ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд. тонн различных горных пород, сжигается около миллиарда тонн условного топлива, выбрасывается в атмосферу около 20 млрд. тонн СО 42 0. Возрастающее воздействие человека на природу все чаще приводит к накоплению в ней побочных продуктов деятельности человека в количествах превышающих функциональные возможности экосистем по их переработке. Неблагоприятные последствия этого воздействия отмечаются во всех основных средах обитания : в атмосфере, гидросфере и литосфере.
Антропогенные воздействия на атмосферу проявляются в ее загрязнении, которое имеет глобальный характер. Наиболее убедительно об этом свидетельствует увеличение содержания в атмосфере оксида углерода и истощение озонового пояса Земли.
Концентрация углекислого газа в начале ХХ века составляла 0,029%, а к настоящему времени уже достигла 0,035 %. Если допустить сохранение существующих тенденций, то содержание СО в атмосфере к 2050 году должно удвоиться. При таком увеличении его концентрации температура поверхности Земли вследствие возрастания парникового эффекта, как считают ученые, повысится на 3-4 С, что приведет к катастрофическим для населения Земли последствиям. В результате таяния ледников и полярных льдов произойдет поднятие уровня мирового океана на 1,5 метра, вследствие чего будут затоплены прибрежные районы, где проживает около половины человечества. Произойдут также изменения в количестве и распределении осадков, которые особенно неблагоприятно отразятся на климате важнейших сельскохозяйственных регионов мира. Возможно, что наблюдаемые в
последние два десятилетия частые засухи и необычные тепловые скачки есть не что иное как первые признаки глобального изменения климата. Это подтверждают и результаты многолетних измерений температуры океанической поверхности, которые показали , что она повышается примерно на 0,1 5о 0 в год.
В середине 80-х годов с помощью спутников было обнаружено значительное истощение озонового слоя над Антарктикой. Над территорией, сравнимой по площади с США, содержание озона сократилось на 50 %. Образование "озоновых дыр" таит в себе большую потенциальную опасность в связи с увеличением интенсивности ультрафиолетового облучения. Доказано, например, что при уменьшении содержания озона на 50 % интенсивность облучения возрастает в 10 раз.
Главная причина уменьшения содержания озона связана с загрязнением атмосферы хлорфторуглеводородами. Эти соединения летучи и не растворимы в воде, что позволяет им распространяться на большие расстояния и достигать стратосферы. Здесь под влиянием ультрафиолетового излучения они разлагаются с выделением атомов хлора, который, действуя подобно катализатору, в конечном итоге и разрушает озон.
Благодаря каталитической активности и весьма медленному выведению атомов хлора из стратосферы, даже небольшое количество фреонов способно вызвать значительное истощение озонового экрана.
Загрязнение атмосферы проявляется также в ее общей запыленности и увеличении содержания других самых разнообразных веществ, выделяющихся во время технологических процессов в различных отраслях производства. Наиболее распространенными и опасными загрязнителями служат мельчайшие твердые частицы либо капли, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии (зола, пыль и др.), оксид и диоксид углерода, окислы азота и серы, тяжелые металлы, углеводороды,
озон и другие фотохимические окислители, кислоты (в основном серная и азотная), радиоактивные газы.
Наибольшее количество загрязняющих атмосферу веществ выбрасывается с выхлопными газами автомобилей. В настоящее время в мире насчитывается свыше 200 млн. автомобилей, выхлопные газы которых содержат свыше 200 веществ, в том числе оксиды азота, углерода, альдегиды, канцерогенные углеводороды и тетраэтиленсвинец.
Благодаря циркуляции атмосферы, загрязняющие вещества из центров их формирования переносятся на большие расстояния. При этом они подвергаются трансформации и образуют вторичные продукты, которые во многих случаях по своему биологическому действию гораздо опаснее, чем первичные вещества.
Большую опасность для окружающей среды таит загрязнение атмосферы оксидами азота и серы (около 90% серы, содержащейся в атмосфере северного полушария - антропогенного происхождения).
Оксиды азота образуются в результате взаимодействия кислорода с содержащимся в воздухе азотом. При высоких температурах создаваемых в двигателях внутреннего сгорания и других энергетических установках, часть азота окисляется кислородом до монооксида, который в воздухе немедленно взаимодействует с кислородом с образованием диоксида или тетраоксида. Оксиды азота в атмосфере могут вступать в дальнейшие реакции, давая вторичные продукты. Под действием квантов света они способны взаимодействовать с летучими углеводородами с образованием вредных органических соединений, известных под названием пероксиацил нитратов. Одновременно происходит накопление озона, так как под действием квантов света диоксид азота распадается на монооксид и атом кислорода, который соединяясь с О2 дает озон. Эта реакция обратима, однако за счет связывания монооксида азота летучими углеводородами ее равновесие смещается в сторону образования озона.
Загрязнение атмосферы оксидами азота и особенно озоном оказывает неблагоприятное влияние на рост и развитие растений. Например, урожайность некоторых культур в результате влияния озона снижается на 17% -30%. Еще более чувствительны к его воздействиям растительные сообщества естественных биогеоценозов. Загрязнение атмосферы озоном угнетает рост лесных растений на 32%-57%, дажек огда его содержание еще не превышает норм, признанных безопасными для здоровья человека.
Оксиды азота и их вторичные продукты представляют большую опасность для здоровья человека, что в связи с развитием автомобильного транспорта стало настоящим бедствием для жителей крупных городов. Пероксиацетилнитраты, как составные компоненты так называемого фотохимического смога, способны вызвать ухудшение самочувствия человека при наличии всего лишь 30 частей этих соединений в 1 млн. частей воздуха. Впервые фотохимический смог был описан у жителей Сан-Франциско в 1943 г., когда в солнечные дни при отсутствии ветра над городом появлялся белесоватый туман с желтовато-коричневым оттенком. У многих людей смог вызывал резь в глазах, слезотечение, ощущение першения в горле и другие симптомы поражения слизистой верхних дыхательных путей.
Усилению смога способствует температурная инверсия, при которой слой холодного воздуха над землей перекрыт теплым. В результате восходящее движение воздуха, уносящее загрязняющие вещества, становится невозможным и они накапливаются над землей. Особенно часто температурные инверсии возникают в городах, расположенных в окружении гор, когда образуются препятствия на пути горизонтального оттока воздуха. В некоторых промышленных городах при резких температурных инверсиях загрязнение воздуха достигает столь высокого уровня , что заметно повышается смертность.
Диоксид серы, образующийся в результате сжигания угля, нефти и газа, в атмосфере окисляется до SO 43 0. Выпадающая с осадками серная кислота ( "кислотные дожди") губит фотосинтезирующие ткани растений, вызывает закисление почв,что подавляет популяции почвенных детритофагов и редуцентов. Диоксид серы (в сочетании в водяным туманом) является главным компонентом сернистого смога, который впервые был отмечен в 1952 г. в Лондоне (Лондонский тип смога). В течение 5 дней, на протяжении которых над Лондоном держалась густая мгла смога, от сердечно-сосудистых и легочных заболеваний погибли около 4 тысяч человек. Причиной этого явилось воздействие сернистой кислоты, образующейся при растворении диоксида серы в капельках воды, на организм ослабленных людей с хронической сердечно-сосудистой и легочной патологией, в результате которого у них возникали тяжелые осложнения в ряде случаев приводившие к смерти.
Загрязнение атмосферы обычно обусловливается несколькими компонентами, состав и содержание которых в различных районах и в разное время подвержены значительным колебаниям. Вследствие сочетанного воздействия целой смеси загрязнителей могут возникнуть серьезные нарушения здоровья человека и жизнедеятельности других организмов; они становятся более чувствительными к различным неблагоприятным факторам среды.
Несмотря на то, что общая площадь водоемов Земли почти в 3 раза превышает территорию суши, во многих экосистемах вода является лимитирующим фактором. Причина этого состоит в том, что доля пресных вод составляет всего 2,5% общего их количества, причем почти 70% ее заключено в ледниковых покровах.
В настоящее время потребление пресной воды достигло огромной величины - 300 км 53 0 ежегодно, что приводит к быстрому истощению ее доступных запасов. Наибольшее количество воды расходует сельское хозяйство. Например, для выращивания 1 т пшеницы и риса требуется соответственно 1500 т и 7000 т воды. Для сравнения, в промышленности производство 1 т стали требует 15-20 т воды. В крупных городах с населением свыше 3 млн. годовой расход воды достигает 1 км 53 0. Разрушению водных экосистем и уменьшению запасов пригодной для использования, доброкачественной воды способствует интенсивное загрязнение водоемов .