Бесплатный фрагмент - Избранные вопросы экологии

«Природа не храм, а мастерская, и человек в ней работник»

И. С. Тургенев

Введение

Термин «экология» возник в 1866 году.

Термин образован из греческих слов oikos — дом, жилище, местопребывание и λόγος — «слово», «понятие» (суждение, смысл) — изучение собственного дома, то есть биосферы, в которой мы живем и частью которой являемся.

Автор термина «экология» — профессор Йенского университета Эдвард Геккель, ввёл это понятие в биологию для изучения взаимодействия живых организмов, в зависимости от состояния окружающей среды.

К настоящему времени экология из части биологии превратилась в колоссальную по своему охвату меганауку, занимающуюся изучением воздействия на живое не только естественных факторов среды, но и многочисленных процессов, порожденных человеческой деятельностью. Прикладная экология стала изучать способы предотвращения нежелательных последствий антропогенного воздействия на природу и на здоровье самих людей. Только определений экологии к настоящему времени существует около 100.

В целом в современном использовании понятия экология можно выделить 3 направления.

1. Классическая биологическая наука, в основе которой лежит изучение биологических систем различного уровня.

2. Технологические и социальные проблемы, связанные с загрязнением и деградацией окружающей среды.

3. Гуманитарный аспект — экология нравственности, литературы, культуры.

Биосфера и экология

Наиболее точно сферу интересов экологии в учении о биосфере определил российский учёный Владимир Иванович Вернадский. Биосфера — часть верхней оболочки Земли, в которой существует или способно существовать живое вещество. К биосфере принято относить атмосферу, гидросферу (моря, океаны, реки и другие водоемы), верхнюю часть земной тверди и совокупность исторически сложившихся обитающих здесь живых организмов — биоту. Биота забирает из атмосферы в процессе фотосинтеза не только весь углерод, выделенный ею же в атмосферу в процессах дыхания и разложения (около 100 млрд. тонн в год), но и около половины углерода, содержащегося в антропогенных выбросах, а в последние годы — до 2/3.

Биосфера существует уже около 3,8 миллиарда лет (Солнце и планеты — около 4,6 миллиарда — авт.), и за это время ее эволюция не прерывалась. Доказывает это то, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов.

Биосфера не находится и никогда не находилась в состоянии равновесия. Она получает энергию (коротковолновое излучение) Солнца — свет, который, трансформируясь, нагревает Землю. А в космос от Земли уходит длинноволновое тепловое излучение. Баланс этих энергий разного свойства (качества) не соблюдается: Земля излучает в космос несколько меньше энергии, чем получает от Солнца. Эту разность — небольшие доли процента — и усваивает Земля, точнее, ее биосфера, которая все время накапливает энергию достаточную для того, чтобы поддерживать процессы развития планеты. Благодаря своему магнитному полю и значительной собственной массе Земля сохранила мощный слой атмосферы (толщиной около 1000 км.), создающий комфортный тепловой режим на поверхности планеты и обилие жидкой воды — непременное условие зарождения и эволюции жизни.

Отечественный учёный Василий Васильевич Докучаев доказал, что основа всей биосферы, ее связующее звено — это почва с их микрофлорой, а процессы, которые происходят в почве в целом и определяют все особенности круговорота веществ в природе.

По данным микробиологов, один грамм почвы содержит в среднем — от 6400 до 38000 видов бактерий, один миллилитр океанской воды — 160 видов, а миллилитр сточных вод из городской канализации, как ни странно, — всего 70 видов.

По мнению российского академика Валентина Николаевича Пармона, жизнь — это фазообособленная форма существования автокатализаторов, способных к химическим мутациям и эволюционирующих за счет естественного отбора.

Человек и экология

Место человека в системе живой природы определил еще шведский ученый XVIII века Карл Линней, — автор первой научной классификации природы. Им был введен и термин «приматы», означающий «первенствующие». В этот отряд, на основании комплекса морфологических признаков, и был помещен вид, которому Линней придумал величественное имя Homo sapiens — Человек разумный.

Homo sapiens, появившиеся около 40 тысяч лет назад, в отличие от иных биологических видов, имеющих более или менее ограниченную среду обитания, расселились по всей земной поверхности и сейчас взаимодействуют с окружающей средой в планетарном масштабе. Уже поэтому степень их влияния на природу не сопоставима с влиянием любых других существ. Благодаря интеллекту люди не столько приспосабливаются к природной среде, сколько приспосабливают эту среду к своим текущим потребностям. И такое приспособление (недавно гордо называвшееся «покорением природы») приобретает все более наступательный, агрессивный характер. Один-единственный вид живых существ поглощает почти четверть всех ресурсов Земли. Этот вид — человек. Первым, еще в самом начале ХХ века, Владимир Иванович Вернадский понял, что: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой». Его ученик и последователь Виктор Абрамович Ковда оценил роль антропогенного фактора на современном этапе эволюции биосферы: — из отходов органического происхождения, веществ, которые надолго исключаются из биогеохимических циклов биосферы — кругооборота веществ, человечество производит в 2000 раз больше, чем вся остальная биосфера. При этом из всей массы добытого природного сырья, в конечный продукт потребления превращается не более десятой части, а остальное отправляется на свалки.

Вот мнение отечественного писателя Льва Шильника, с которым трудно не согласиться: «В конкурентной борьбе успехи Homo sapiens бесспорны. Его агрессивность, исключительная изобретательность и поразительная пластичность всегда были выше всех похвал. В конце концов, это чуть ли не единственный биологический вид (среди крупных позвоночных), сумевший занять все экологические ниши на планете. Бодро прошагав по нашему небольшому шарику, Homo sapiens не оставил братьям своим меньшим ни единого шанса».

С биологической точки зрения человек похож на многие другие организмы. Основу его существования составляют пища, вода и воздух. Кроме того, человеку нужен кров, а в определенных климатических условиях и одежда.

С экологической точки зрения все мы — консументы, то есть потребители. И притом консументы смешанного порядка, зависящие в своем питании, как от растительных, так и от животных организмов. В отличие от растений — продуцентов, которые сами создают для себя пищу из неорганических соединений, мы, как и другие животные, выступаем получателями готовой органики.

В организме консументов органические вещества, синтезированные продуцентами, претерпевают структурную перестройку. Неорганические соединения (такие, к примеру, как углекислый газ), образующиеся в результате их жизнедеятельности, выделяются в окружающую среду, а отмершие остатки этих организмов, как и организмов-продуцентов, разлагает до неорганических соединений третья экологическая категория живых существ — редуценты, или деструкторы, к которым относятся в том числе многие грибы и бактерии. Редуценты — это санитары планеты. Продукты их неустанного труда используются продуцентами, то есть становятся сырьем для нового цикла.

Площадь поверхности планеты — 510 миллионов квадратных километров, средний радиус — 6371 километр (диаметр, стало быть, более 12000 километров.). Суша занимает всего 29%, а Мировой океан — 71% поверхности Земли.

К настоящему времени люди приспособили для своих надобностей около половины земной суши: 26% под пастбища, по 11% под пашни и лесоводство, остальные 2—3% используют для строительства жилья, промышленных объектов, транспорта и сферы услуг. Более половины населения земного шара живут и трудятся в пределах 60-километровой прибрежной зоны морей и океанов. На своих полях человек возделывает около тысячи, главных пищевых культур — не более ста. А основу питания населения нашей планеты составляют всего шесть культур: три зерновые (пшеница, рис и кукуруза) и триклубневые (картофель, батат, маниок). На их долю приходится 80% калорий, потребляемых человеком.

Земля несет на себе от 10 до 100 миллионов видов животных и растений. Из них только 1,5 миллиона учтены и описаны учёными.

Каждый год к перечню известных прибавляется еще 12 тысяч ранее не известных видов. Наибольшее разнообразие в мире насекомых — 750 тысяч видов. За ними следуют цветковые растения — 250 тысяч видов.

Международная группа из трёх тысяч биологов составляющая единый каталог всех живых организмов, сообщила, что число видов в списке достигло миллиона.

Человек ухудшил (либо уничтожил) среду обитания множества представителей флоры и фауны. С 1600 года на Земле исчезли 484 вида животных и 654 вида растений. Сегодня под угрозой исчезновения с лица Земли находятся более одной восьмой из 1183 видов птиц и четверть из 1130 видов млекопитающих.

90% рыбопромысловых и других живых ресурсов моря также сосредоточены в узкой прибрежной полосе, которая составляет лишь 10% площади Мирового океана.

В мировом океане люди выловили до предела две трети морской фауны и нарушили экологию многих обитателей моря. Вылавливая съедобные виды рыбы, из сетей обратно в море ежегодно выбрасывается 27 миллионов тонн другой живности — как правило, уже в нежизнеспособном состоянии. Морское дно во многих районах океана так пропахано тралами, что на нем уже ничто жить не может.

Вымирание организмов — естественный процесс, но вмешательство человека сильно его ускоряет — благодаря «усилиям» человека различные виды растений и животных исчезают с лица земли в 1000 раз быстрее, чем это происходило бы при естественном ходе вещей.

В сегодняшней ситуации каждый год исчезает примерно 27 тысяч видов животных, насекомых и растений. Это значит 74 вида в день, или 3 вида в час. В не потревоженной природе гибнет лишь один вид в год.

Если такая тенденция сохранится, то нашу планету ждет необратимое оскудение флоры и фауны. Половина всех видов флоры и фауны обитает в 25 тропических областях, в основном лесистых, где в результате деятельности человека уже уничтожено более 70% площади естественного растительного покрова.

Ученые подсчитали, что к 2050 году на грань исчезновения будет поставлено от 15 до 37% видов растений и животных. При сохранении нынешних темпов добычи природных ресурсов запасы леса и рыбы истощатся еще раньше. Следует учитывать, что в ближайшие 50 лет численность населения планеты увеличится до 9 млрд. человек. (6,5 млрд. — 2005 г.).

Половина прироста населения планеты будет приходиться всего на девять стран; — в порядке убывания ожидаемого вклада: Индия, Пакистан, Нигерия, Демократическая Республика Конго, Бангладеш, Уганда, США, Эфиопия и Китай. Единственное богатое государство в этом списке — США, где примерно треть прироста населения происходит за счет высокого уровня иммиграции.

Экологический след Homo sapiens сегодня перевешивает влияние на окружающую среду всех прочих живых существ, вместе взятых, причем антропогенная нагрузка на биосферу продолжает стремительно возрастать и, вероятно, близка к критической.

На рубеже ХIХ и ХХ веков территории с разрушенными человеком экосистемами в мире занимали только 20% суши. К концу ХХ столетия они составили уже 63,8% (без учета оледенелых и оголенных территорий.

В 2005 году большинство беженцев покинули родные места не из-за войн, а вследствие изменений окружающей среды. По данным экспертов ООН сегодня в мире насчитывается 25 млн. человек, оставивших жилища из-за наводнений засух, истощения земель. По их прогнозам совсем скоро число «экологических» беженцев может достичь 50 млн. человек.

Сочетание большого числа видов растений и животных, находящихся на грани исчезновения, и высокой скорости разрушения их мест обитания приводит к появлению на Земле экологических «горячих точек».

«Горячими точками» называются территории, где встречается значительное число эндемичных растений, утративших не менее 70% растительного покрова. Защита таких территорий, а также оставшихся массивов девственных тропических лесов, могла бы сохранить местную флору и фауну при минимальных затратах. На Земле осталось три крупных массива тропических лесов и 25 «горячих точек», где обитают большинство существующих на планете видов животных и растений.

Человек не добрался пока до влажных тропиков в бассейне Амазонки и в Конго, тропических сухих листопадных лесов в Африке и тайги в Канаде и России. Однако если темпы вырубки деревьев останутся на нынешнем уровне, то суммарная скорость исчезновения редких видов в этих заповедных уголках и в «горячих точках» вскоре в 1000 раз превысит норму («один вид за миллион лет»).

Матис Вакернагель (Mathis Wackernagel), автор концепции «экологического следа», попытался в 2002 г. количественно оценить, сколько земли люди используют для добычи ресурсов и захоронения отходов. Тогда было установлено, что в 1961 г. человечество использовало биосферу на 70%, а в 1999 г. — на 120%. Другими словами, «с 1999 г. люди используют окружающую среду настолько интенсивно, что она просто не успевает восстанавливаться». В докладе Millennium Ecosystem Assessment, опубликованном в начале 2005 года, перечислены те услуги — от опыления цветов до очистки воды, — которые людям пришлось бы оказывать самим себе, причем за огромные деньги, если бы этого не делала природа. Авторы доклада обнаружили, что из 24 основных даров, предоставленных планетой в наше распоряжение, 15 расходуются нами быстрее, чем идет их естественное восстановление.

Ученые разделяют понятие экологический кризис (ЭК) на «локальный ЭК» и «глобальный ЭК». Локальный ЭК проявляется в местном повышении уровня загрязнений — химических, тепловых, шумовых, электромагнитных — за счёт одного или нескольких источников. Как правило, он может быть преодолен административными и /или экономическими мерами. Более серьезную угрозу представляет глобальный ЭК, являющийся следствием всей совокупности хозяйственной деятельности нашей цивилизации и проявляющийся в изменении характеристик природной среды в масштабах планеты и, таким образом, представляющий опасность для всего человечества. Бороться с глобальным ЭК гораздо труднее, чем с локальным, и эта проблема будет считаться решённой только в случае минимизации загрязнений, произведённых человечеством до уровня, с которым природа Земли будет в состоянии справиться самостоятельно.

В 60-е годы XX века американский ученый эколог и биолог Б. Коммонер дал емкие и краткие формулировки законов экологии:

— всё связано со всем;

— ничто не дается даром;

— всё должно куда-то деваться;

— природа знает лучше.

В основном экологические факторы, влияющие на здоровье человека, связаны с:

— климатическими особенностями среды проживания;

— физическими условиями жизнедеятельности (тепловое и радиационное загрязнение, электромагнитное излучение, шум, вибрация и пр.);

— техногенными изменениями ландшафта (изменение рельефа, активизация экзогенных экологических процессов, загрязнение территории промышленными и бытовыми отходами, загрязнение почв, ухудшение состояния растительного и животного мира).

К постоянно действующим экологическим факторам риска для здоровья человека относится загрязнение атмосферы и водных объектов и, опосредованно, — почв и живых организмов. Сочетание трёх указанных факторов реализует своё патогенное воздействие на человека не в последнюю очередь через потребляемую им пищу и воду.

Экология атмосферы

Активная промышленная деятельность ведет к непрерывному возрастанию концентрации углекислоты — СО2 в атмосфере: в ХХ веке она возросла на 20%. СО2 — основная пища растений и входит в состав парниковых газов.

Парниковые газы — водяной пар, углекислый газ, метан, фтор, хлорсодержащие углеводороды, закись азота — прозрачны для солнечного света, как стеклянная крыша парника, но задерживают тепловое инфракрасное излучение нагретой солнцем земной поверхности. Парниковое «одеяло» из газов делает нашу планету пригодной для жизни. Если бы парниковых газов в атмосфере не было, то средняя температура земной поверхности упала бы на 33оС, с плюс 14оС до минус 19оС, и Земля превратилась бы в ледяной шар.

Сегодня мы выбрасываем в атмосферу в три раза больше углекислого газа, чем природа способна поглотить. Климатологи предполагают, что уже к середине века всерьез будут сказываться последствия глобального потепления. К примеру, с 1981 по 2007 годы сельское хозяйство мира из-за глобального потепления потеряло вследствие упавшей урожайности зерновых культур почти пять миллиардов долларов. Если темпы роста СО2 сохранятся, то к тридцатым годам нашего века концентрация углекислоты в атмосфере удвоится.

Существует и альтернативная точка зрения на колебания углекислоты в атмосфере. Профессор экологических наук Университета штата Виржиния. Уильям Раддиман (William F. Ruddiman) доказал, что антропогенное влияние на колебания углекислоты в атмосфере началось задолго до индустриальной эпохи.

Свидетельство масштабного уничтожения лесов было найдено им в поземельной переписи Англии, произведенной по приказанию Вильгельма Завоевателя. В «Книге судного дня» сообщается, что в 1086 г. было сведено 90% лесных массивов в низменных сельскохозяйственных регионах. Согласно результатам переписи, в Англии в то время проживало 1,5 млн. человек, следовательно, средняя плотность населения составляла 10 человек на 1 км2. Этого оказалось вполне достаточно для уничтожения лесов. Поскольку цивилизации в долинах крупных рек Китая и Индии достигли гораздо большей плотности населения за несколько тысячелетий до Вильгельма Завоевателя, ученые пришли к выводу, что в азиатских регионах лес был практически полностью уничтожен еще 2—3 тыс. лет назад. Таким образом, Европа и Южная Азия были практически лишены лесного покрова еще задолго до начала индустриальной эры. Доказано также, что наиболее сильные за последние 2 тыс. лет уменьшения атмосферной концентрации углекислого газа (определенные с помощью двух кернов Антарктического льда) произошли примерно в те периоды, когда вспышки инфекционных заболеваний (чума, оспа) уносили миллионы человеческих жизней.

Несмотря на то, что экспериментальные данные пока не дают оснований для вывода о потере устойчивости или деградации биосферы, основания для беспокойства есть:

— увеличение содержания СО2 и других парниковых газов в атмосфере обязательно приведёт к потеплению климата и если глобальное потепление будет и дальше идти такими темпами, то к 2080 году Северный полюс окажется весь год свободным ото льда;

Климат Земли становится с каждым годом мягче, а в Арктике теплеет в два-три раза быстрее, чем на всей остальной планете: за последнюю сотню лет температура там выросла на 4—5оС. Спутниковые фотографии со всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002 год сократился примерно на 25%. Уменьшается не только площадь ледовой поверхности — истончается и сам лед. За последние 30 лет толщина морских льдов уменьшилась на 1,3 м, почти вдвое. Границы сплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Особенно заметно потепление в материковой части Арктики — на Аляске, северо-западе Канады и азиатском побережье Северного Ледовитого океана. В результате уникальный животный и растительный мир Арктики и образ жизни ее коренных жителей оказались на грани исчезновения.

— быстрое расходование ископаемого топлива, накопленного природой за миллионы лет, приведёт к истощению его запасов через исторически короткие сроки: нефти и газа — через 60—80 лет, угля — через 1000—3000 лет;

В мире ежедневно потребляется 81 миллион баррелей нефти (баррель — 158 литров.

— происходит резкое уменьшение площади и ухудшение состояния «лёгких планеты» — лесов.

Примерно 8 тысяч лет назад, леса, растущие на планете, занимали 6,2 миллиарда гектаров. Это были леса, созданные самой природой и еще не знавшие руки человека. От этих лесов ныне осталось менее четверти — 1,3 миллиарда гектаров. Правда, человек посадил «вторичный лес» — 3,4 миллиарда гектаров.

Сейчас 70% сохранившихся на Земле неосвоенных лесов находятся на территории трех стран: России (863 млн. га или 50,6% территории — лесные земли), Канады и Бразилии. В 76 странах мира уже нет неосвоенных лесов. Недавно эксперты ФАО (международная продовольственная и сельскохозяйственная организация — авт.) дали строгое научное определение леса. Это находящийся за городом участок площадью более 0,5 гектара с деревьями высотой более 5 метров, затеняющими своими кронами более 10% площади.

Россия — мировой экологический донор: — более половины территории России, 10 млн. км.2 (Арктика, Восточная и Северо-Восточная Сибирь) слабо или совсем не тронуты хозяйственной деятельностью.

Велико воздействие на биоту и кислотных дождей — атмосферных осадков, рН которых ниже чем 5,5.

Термин «кислотный дождь» введен в научный оборот в 1872 году английским исследователем, изучавшим смог в Манчестере — Ангусом Смитом.

Обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие выбросов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H2CO3). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Даже если бы люди закрыли все фабрики и перестали ездить на машинах и грузовиках, значение pH дождя все равно было бы примерно 5,0. Поэтому сейчас принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0. В современном промышленном мире избыточная кислотность дождя обусловлена в основном присутствием двух веществ:

1. Оксиды серы;

Эти соединения попадают в атмосферу естественным путем при извержениях вулканов, но значительная часть атмосферных оксидов серы образуется в результате сжигания природного газа, угля и нефти, которые содержат сераорганические соединения. При сжигании этих видов топлива в атмосферу попадает сера в соединении с кислородом. Растворяясь в дождевых каплях, оксид серы образует серную кислоту.

2. Оксиды азота.

При достаточно высокой температуре содержащийся в воздухе азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота. В природе это может произойти во время разряда молнии, но основная часть оксидов образуется при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания (например, в автомобилях), котлов тепловых электростанций или при сжигании угля. При растворении этих веществ в капельках воды образуется азотная кислота.

Доказано, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, они разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы. Пророческими оказались слова, сказанные в 40-х годах прошлого века немецкими химиками Вальтером и Идой Ноддак о том, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы.

Влияние пыли на атмосферные процессы гораздо сложнее, чем влияние газов, вызывающих парниковый эффект и кислотных дождей. Наиболее важным источником пыли является почва. На втором месте — океаны, выбрасывающие в воздух маленькие кристаллы солей, которые поднимаются в воздух и служат ядрами для конденсации водяных паров. Если бы в воздухе не было пыли, не было бы облаков. Далее следует вулканическая пыль и пыль, образуемая пустынями. Подсчитано, что ежегодно Сахара теряет свыше пятисот миллионов тонн пыли, а все мировые пустыни — более двух миллиардов тонн в год. Неземная пыль, происходящая из комет и метеоритов, ежегодно увеличивает массу Земли на 10 тонн.

В России около 109 миллионов (две трети населения) человек проживают в условиях постоянного превышения предельно допустимой концентрации вредных веществ (ПДК) в атмосферном воздухе в 5—10 раз. Более 50 миллионов человек подвергаются воздействию вредных веществ, превышающих ПДК в 10 раз, а 60 миллионов — в 6 раз.

К примеру, за год в атмосферу Москвы сейчас выбрасывается около 1,8 или 1,9 миллиона тонн загрязняющих веществ. Это означает, что на долю каждого москвича их приходится около 180 кг. Из них 150 кг — это автомобильные выбросы. Загрязнение окружающей среды от автотранспорта в Москве в целом в 2 раза выше, чем в среднем по России.

Вблизи автострад и основных городских магистралей уровень содержания токсических веществ в воздухе превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 20—40 раз. Кроме основных ингредиентов (сернистого ангидрида, окиси углерода, двуокиси азота, пыли) в городах отмечается повышенное содержание сероводорода, сероуглерода, ксилола, толуола, ацетона, бензина, аммиака, пятиокисного ванадия, марганца, свинца и других веществ. Сопутствующих отрицательных последствий несколько: непосредственное отравление выхлопными газами, длительное накопление в организме тяжелых металлов, постоянное звуковое раздражение нервной системы, непрерывная вибрация зданий в полосе биологически активных частот.

Наибольший выброс выхлопных газов происходит при торможении или старте машины, поэтому наиболее опасны перекрестки и светофоры. К тому же, более тяжелые, чем воздух, выхлопные газы, имеют свойство «стелиться» вдоль земли и скапливаться в низинах и местах застоя воздуха, что особенно опасно для детей.

На международной конференции по климату, проведенной в Москве в сентябре 2003 года отмечено, что содержание кислорода в атмосфере с 20,9% в 1953 году снизилось к 2003 до 16%. В создавшейся медико-экологической ситуации вклад загрязняющих веществ атмосферного воздуха в формирование заболеваемости в России составляет существенную долю в 26,2%.

В последние годы для России бедствием национального масштаба обернулись лесные пожары. Ежегодно их возникает более 30 тысяч. Они охватывают площади от одного до двух миллионов гектар. Причем в равнинных районах до 98% лесных пожаров происходит по вине человека.

Особую тревогу во всем мире вызывают пожары в районах, зараженных радионуклидами. В Российской Федерации таких районов насчитывается около 20. Дым лесного пожара переносит радионуклиды на десятки, сотни километров, образуя новые радиоактивные очаги.

Полагают, что радиационный фактор является важным регулятором эволюции живых организмов на нашей планете. Существование и развитие жизни на Земле происходит в условиях постоянно изменяющегося радиационного фона создаваемого космическим излучением и эндогенными процессами распада элементов в земной коре.

Дозы излучения, поглощенные тканями человеческого тела, измеряются в греях и радах. Грей (Гр) — поглощение энергии в 1 джоуль на 1 кг облученного материала; 1 Гр = 100 рад. Кроме того, используются такие единицы, как зиверты (Зв) и бэры (биологические эквиваленты рентгена): зиверт — это единица поглощенной дозы, умноженная на коэффициент, который учитывает опасность определенного вида излучения для биосистем: — 1 Зв = 100 бэр.

В течение десяти лет каждый человек получает дозу около 1 сантигрея (сГр) — от естественного фона. Этот фон на различных территориях отличается достаточно сильно: скажем, в средней полосе России он составляет около 14 мкЗв в час, а в индийском штате Керала в 4—5 раз выше, но в любом случае доза весьма мала. Примерно такова же по порядку величин суммарная доза от медицинских процедур и техногенных факторов. В итоге средний человек получает около 2 мГр в год независимо от того, имеет ли он контакт с источниками излучения. Годовая суммарная эффективная эквивалентная доза внешнего облучения обусловленная радионуклидами земного происхождения, равна 35 мбэр. Воздействие радиационного фактора на разные клетки и ткани имеет общие закономерности. В живых системах лишь около 25% поглощенной энергии приходится на долю биомолекул, а остальная ее часть поглощается водой, что сопровождается процессами радиолиза. Под непрямым действием ионизирующего излучения понимают повреждение биологических структур, вызванное продуктами радиолиза воды — высокоактивными свободными радикалами, способными уже чисто химическими путями приводить к изменению биомолекул. Установлено, что в живых системах отсутствуют специфические структуры, которые могли бы служить рецепторами для ионизирующей радиации и электромагнитных полей.

Экология гидросферы

Прежде чем на Земле возникла живая материя, на ней должна была появиться вода, в которой в течение многих миллионов, а возможно и миллиардов лет растворялись, накапливались и взаимодействовали различные минеральные соли. Наша планета на 3/4 покрыта океанами. Количество воды в атмосфере метеорологи оценивают в 12 900 кубических километров. Из них 98% находятся в форме невидимого пара, а 2% — в виде облаков — скоплений микроскопических капелек или ледяных кристалликов.

Таким образом, вода — это одно из самых распространенных на нашей планете веществ. «Начало всего есть вода», — отмечал Фалес из Милета ещё в VI веке до н. э. Велика роль воды и в формировании земного ландшафта. М. В. Ломоносов писал: «…Все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не провернут камней во сто лет, сколько одной весной разрушат о них льды и быстрины беспримерных вод российских». Будучи в химическом отношении достаточно простым веществом (2 атома водорода и один кислорода), вода долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen — от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду». Молекула жидкой воды — единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

Физические свойства воды используются как эталоны при определении многих физических констант и единиц измерения. Так, температура замерзания воды, насыщенной воздухом под давлением 1 атм., принята за 0°С, а температура кипения при тех же условиях — за 100°С. Единицей массы, равной 1 г, в метрической системе мер принят вес 1 см3 воды при 4°С.

Некоторые особенности воды делают ее уникальной для живой природы, а многие из них не подчиняются физическим законам, которые управляют другими веществами. Вода состоит из мономеров Н2О, которые при различной ее температуре могут образовывать димеры и тримеры. При температуре в 4оС основная масса воды представлена димерами. Вода обладает значительной смачивающей поверхностью. По показателям величины поверхностного натяжения, позволяющего воде подниматься по капиллярам на 10—12 метров, она уступает только ртути.

Важнейшим условием существования жизни на Земле является способность воды за счет капиллярных сил подниматься по узким почвенным каналам и сосудам растений.

По мере растворения, поступившие в воду ионы, обволакиваются ионами воды, однако она, являясь инертным растворителем, в реакцию с растворенным веществом, как правило, не вступает. Благодаря этой особенности воды огромное количество разнообразных веществ переносится по любым системам биосферы и доставляется к каждой клетке любого организма.

Вода, если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда.

Плотность воды при охлаждении от 100 до 4оС (точнее, до 3,98оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Таким образом, — максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0оС. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8%. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Плотность большинства веществ — жидкостей, кристаллов и газов — при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Уникальны в своём роде и тепловые свойства воды:

1. Вода — единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36—38оС. (Внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные — авт.).

2. Вода — обладает самой высокой теплоемкостью из всех известных веществ. Чтобы нагреть определенное ее количество на 10 необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Это обуславливает исключительную, в отличие от других веществ, способность воды аккумулировать тепло. Благодаря этому свойству волы Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15°С. В противном случае климатические, и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы.

Знаменитое Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана тёплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили меняет климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане — слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате течение устремляется через океан от Индонезии к Перу и температура воды у побережья Перу поднимается на 3—5°С. Затянувшееся с 1990 по 1995 г. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с 1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы — наводнения там, где их никогда не бывало и засуха во влажных областях.

Исключительная теплоёмкость воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии. Температура других теплокровных млекопитающих (32—39оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

3. Вода — обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед — растопить.

В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса — вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью, благодаря чему солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие — наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок, что позволяет большинству живых организмов оптимальным образом существовать (адаптироваться) в условиях благоприятной среды.

В качестве первичного эшелона, определяющего адекватность адаптации или приспособленность любых живых организмов к постоянно меняющимся факторам внешней среды, выступает количество в организме воды, абсолютное содержание и соотношение в ней макро и микроэлементов. Живая клетка это идеальная система обратных связей, но любая клетка это еще и вода и состояние этой воды решает в конечном итоге все.

Внутриклеточную среду обычно рассматривают как водный раствор, тогда как она представляет собой гель, испытывающий фазовые переходы. Вода служит дисперсионным средством (диспергатором) органических коллоидов и индифферентной средой для транспорта строительных и энергетических веществ к клетке и эвакуации продуктов обмена к органам выделения. Эти процессы связаны с константным (в узких пределах) содержанием воды и солей в организме. В обычных условиях вода в организме никогда не бывает в свободной форме, а всегда связана осмотическими, онкотическими и мицеллярными силами.

Можно смело утверждать, что «человек существует благодаря наполняющей его воде». В организме человека с массой тела 65 кг содержится от 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л — в составе внеклеточных жидкостей организма. Из 25 л внутриклеточных жидкостей около 95% находится в свободном состоянии, а 5% — иммобилизовано за счет связи с биологическими макромолекулами. Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. До сих пор актуален афоризм известного биолога Г. Н. Шангина-Березовского: «Каждый из нас всего лишь пятьдесят литров воды, вставшей на ноги».

Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3-месячного плода содержится 95% воды, 5-месячного — 86%, новорожденного ребенка — 70%, взрослого человека — от 65 до 55%. Поддержанием постоянного объема жидкости, состава и концентрации электролитов в организме занимается сложная система, в которой участвуют почки, надпочечники, гипофиз и легкие.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические.

Молекула воды — диполь. Это значит, что геометрические центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают — одна часть молекулы «поположительнее», а другая «поотрицательнее». Поэтому вода — дипольная жидкость. Но это только в первом приближении. Во втором приближении вода — система из четырех зарядов — квадруполь.

Уместно здесь вспомнить гипотезу Ю. А. Колясникова о том, что «структурная память воды „унаследована“ от главной строительной единицы земной тверди — кремнийкислородного тетраэдра, как наиболее энергетически выгодную». Ведь, в сущности, весь кислород земной воды и атмосферы в прошлом был силикатным. Можно считать общепризнанным факт, что вода имеет внутреннюю структуру. Как принято считать, структурообразующими свойствами обладают водородные связи (мостики). Колясников делает вывод о том, что вода — это тетрамер Н8О4, в котором четыре молекулы соединены в компактный тетраэдр двенадцатью «сильными» водородными связями. Эти тетрамеры в воде (жидкость в пару) объединяются в полимеры такими же, но «слабыми» связями т.к. для этого соединения у них остается только четыре связи.

При температуре человеческого тела достигается уникальное с точки зрения биохимии состояние — разорвана половина «слабых» водородных связей. Это, как полагают, и определяет равную вероятность течения разнообразных обратимых биохимических реакций в организме. При температуре в 100 градусов тетрамерные связи разрываются на молекулы воды, которые тут же в пару объединяются в новые тетрамеры. В воде одновременно существует несколько состояний обусловленных наличием водородных связей между ее молекулами, энергия которых более чем втрое превышает Ван-дер-ваальсовские силы взаимодействия, что, собственно, и отличает ее от газов и сближает по структуре с твердыми телами. Именно это обстоятельство и позволило Дж. Берналу и Р. Фаулеру еще в 1932 году сравнить структуру воды с жидким кварцем.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков. В. И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества — минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Всё земное вещество — под влиянием свойственных воде частных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты — ею проникнуто и охвачено».

Мировые запасы пресной воды к исходу ХХ века составляли 34980 тыс. км.3, а ежегодно возобновляемые (суммарный годовой сток рек) — 46800 км.3 в год. Современное полное водопотребление в мире составляет 4130км.3 в год, а безвозвратное — 2360 км.3 год. Сейчас используется примерно 55% имеющейся на Земле пресной воды, причем 70% из них идёт на орошение, 20% — в промышленность и 10% на нужды населения. Орошаемые земли сегодня составляют 17% всех возделываемых земель, но дают 40% продовольствия. По прогнозам — к 2050 году доля урожая с этих земель возрастет до 50%. (Семёнов В. А. — 1996 г., Намер Л. — 2004 г.). Такое водопотребление привело к существенному обмелению и загрязнению около половины рек планеты. Почти 60% из 277 крупнейших водных артерий перегорожены плотинами и прочими инженерными сооружениями, создавшими искусственные озера, что существенно изменило экологию близлежащих земель и устьев рек. За последние полувека на реках мира построено около 800 тыс. плотин, из них 45 тыс. выше 15 метров.

В США только на 2% рек нет плотин. Из-за плотин на Дунае изменились химические процессы с участием кремния во всем Черном море.

В целом, — 80% всех загрязнений морей дает деятельность человека на суше.

Мировые запасы грунтовых вод, из которых черпают питьевую воду около 2 миллиардов человек на планете, постепенно иссякают — уровень грунтовых вод в большинстве развивающихся стран падает примерно на три метра в год. (Макгиверинг Дж. — 2003 г.).

По данным японских геофизиков, в мантии Земли, на глубинах от 650 до 2000 километров, в связанном виде содержится в 5 раз больше воды, чем во всех океанах.

С ростом численности человечества надо ожидать усиления дефицита пресной воды и роста военных конфликтов из-за нее. Существуют прогнозы, что при удвоении народонаселения Земли к середине этого столетия и при стремительно растущих запросах — наступит всемирный водный кризис. К примеру, англичане уже тратят за год около 2 млрд. фунтов стерлингов на воду в бутылках. В среднем каждый англичанин выпивает в год 37 литров воды, купленной в магазине, и четверть этой воды завозится из других стран.

Специалисты считают, что для современной комфортной жизни на каждого человека ежедневно необходимы 200—300 литров воды. Из них лишь 2—3 литра жизненно необходимы человеку для питья, для приготовления еды. И эта вода должна быть не просто безвредной, а чистой, вкусной и свежей, как родниковая. Подсчитано также, что за жизнь человек поглощает около 25 тонн воды.

Десятая часть человечества утоляет жажду из реки Ганг. Хотя с 1985 года Индия предпринимает усилия по очистке воды в Ганге, содержание опасных микробов в любимом месте омовения паломников в 2—4 тысячи раз превышает допустимое. Эксперты ООН опубликовали отчет, согласно которому из 122 обследованных стран самая чистая вода — в Финляндии, Канаде, Новой Зеландии, Британии и Японии. Россия на 7-м месте. Как ни странно на последнем месте — Бельгия, где вода грязнее, чем в Индии, Судане или Руанде.

Лучший источник питьевой воды — артезианские скважины, уходящие под водонепроницаемые породы, что защищает их от прямого попадания загрязняющих веществ. Температура и химический состав артезианских вод почти постоянны, мутность невелика, бактерий почти нет. Далее в иерархии чистоты следуют глубокие грунтовые воды, затем проточные озера и водохранилища, наконец, бессточные озера и реки.

При интенсивном использовании подземных вод образуются депрессионные воронки. Одна из них, причем огромная (около 5 тыс. км3), образовалась в районе Москвы, где только с 1938 по 1958 гг. из земных недр выкачано около 2,4 км3 воды, что в 6 раз превышает питание водоносных горизонтов. На территории депрессионных воронок резко снижается поверхностный сток рек.

Водные ресурсы России в 2005 году составляли 4291 км3. (1999 г. — 4 310 км3). В России находится 20% мировых запасов пресной воды. Средняя обеспеченность водой речного стока каждого жителя России — около 31 тыс. м3 год.

При среднем потреблении воды в России 272 л в сутки на человека в Москве этот показатель — 539. В европейских странах норма значительно ниже — от 120 до 150 литров.

В целом по России на питьевые и хозяйственные нужды забирается 3% водных ресурсов, из которых 2/3 сбрасывается назад в виде сточных вод.

Структура нашего водопотребления такова:

— производственные нужды — 57,8%;

— хозяйственно-питьевые — 19,6%;

— орошение — 14,3%;

— сельскохозяйственные нужды — 2,4%;

— другие нужды-5,9%.

Питьевая вода — важнейший фактор здоровья человека. Считается, что 80% всех заболеваний человека тем или иным образом связаны с неудовлетворительным качеством воды. По данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды РАМН, около 20% водопроводной воды в России не соответствует санитарным нормам. Именно загрязнение воды вызывает две трети вспышек острых кишечных инфекций в России.

Практически все источники воды подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Известно, что именно с водой мы получаем до 25% суточной потребности химических веществ организма, которые имеют более высокую физиологическую ценность, чем поступающие с продуктами питания.

В Свердловской области обнаружена связь между содержанием хлорорганических соединений в питьевой воде 12 городов и онкологическими заболеваниями, спонтанными абортами, частотой мутаций в соматических клетках у детей.

Вынужденное использование населением степных зон и отдельных районов Поволжья (около 5%) воды с высокой концентрацией хлоридов и сульфатов (превышение нормативов в 3—5 раз) без соответствующей водообработки определяет повышенный уровень заболеваемости желчно — и мочекаменной болезнями, патологией сердечно-сосудистой системы.

Избыток хлористого натрия (свыше 1 г/л), влияет на повышенную реактивность сосудов и вызывает отклонения водно-солевого обмена человеческого организма.