Экологическое благополучие, устойчивость биосферы и стратегия сохранения природных ресурсов

Причины стабильности биосферы

До сих пор не выработано и не внедрено в практику объективных критериев оценки качества природной среды, критериев по которым тот или иной регион можно считать благополучным или неблагополучным. Вместе с тем задел в области фундаментальной науки позволяет такие критерии создать. Настоящая статья содержит подходы к созданию критериев с опорой на данные как глобальной, так и региональной экологии.

Владимир Иванович Вернадский [3] писал, что "в ХХ веке человечество стало геологической силой планетарного масштаба, определяющей многие стороны существования как сферы жизни - биосферы, так и сферы разума - ноосферы". Возросшее влияние человечества на живую оболочку Земли имело как негативные, так и позитивные последствия. Увеличивается численность людей на планете, растет их средняя продолжительность жизни. Это свидетельствует о том, что в целом состояние человека разумного как биологического вида, удовлетворительно. Такое следствие можно вывести на основе классического эволюционного учения Ч. Дарвина [18]. Согласно ему, есть один объективный критерий процветания вида - увеличение его численности. Однако, благоприятное состояние человечества может смениться неблагоприятным. Численный рост людей и научно-технический прогресс оказывают все возрастающее влияние на природу, которое может иметь трагические последствия. Глобальные катастрофы, могущие резко уменьшить население Земли, становятся все более вероятными. Необходимо прогнозировать итоги любой нашей победы над природой, которая может обернуться поражением с самыми трагическими последствиями для человечества.

Некоторые из форм воздействия человека на природу - например, связанные с добычей нефти, использованием ядерной энергии - порой приобретают катастрофический характер. Однако отдаленные и окончательные последствия экологических катастроф подчас оказываются неожиданными, по крайней мере, если опираться на упрощенные представления о законах экологии.

Приведем несколько примеров. Выбросы нефти в океан из скважин, в результате аварий танкеров, могут приобретать характер катастроф. Однако, последствия их неоднозначны. Незначительные выбросы увеличивают биологическую продуктивность и биологическое разнообразие в океане. Значительные выбросы - уменьшают. Участки суши, загрязненные нефтепродуктами, подчас становятся непригодными для многих форм природопользования. Однако, биологическое разнообразие в местах загрязнения нефтью, оказывается приблизительно таким же, как и в чистых местах. Дело в том, что нефть - органическое соединение, которое усваивается многими живыми организмами. При избытке нефти увеличивается количество организмов, усваивающих еe, и уменьшается количество организмов, не способных усваивать нефть. Так что избыток нефти в природной среде может быть и полезным и вредным [2,7]. Приведем ещe один известный пример. 26 апреля 1986 г. произошла крупная экологическая катастрофа
- взрыв Чернобыльской атомной станции. В природу попало от нескольких тонн до нескольких десятков тонн радиоактивной руды, содержащей несколько десятков килограмм чистых радиоактивных элементов. Основу этих вещество составили долгоживущие изотопы, включая плутоний - 239 с периодом полураспада 24 065 лет. Вопреки неблагоприятным прогнозам, оказалось, что природные возможности естественной самоочистки очень велики. К 1988 г. экологическая обстановка стабилизировалась. Биологическое разнообразие и биологическая масса в зоне Чернобыля оказалась даже выше, чем до катастрофы. По данным как российских, так и зарубежных экспертов, продолжительность жизни чернобыльцев превысила среднюю продолжительность жизни других слоев населения (за счет лучшего материального обеспечения и большего внимания врачей к их здоровью) [5,9].
Эти факты свидетельствуют о том, что последствия экологических катастроф могут оказаться обратными ожидаемым и для прогнозов необходимо привлекать весь арсенал современной науки.
Основные теории, описывающие дальнейшее развитие биосферы в зависимости от антропогенного влияния, делятся на две группы.
1. Теории глобальных кризисов, которые являются развитием неомальтузианства - т.е. современной редакцией теории Мальтуса. В числе лидеров этого направления можно указать американского эколога Пола Эрлиха, недавно скончавшегося французского ученого и популяризатора Жака Кусто. Эти теории проповедуют неизбежность наступления серии глобальных кризисов по мере роста населения и научно-технического прогресса [11, 15].
2. Теории рога изобилия, утверждающие, что ресурсы Земли и ближнего космоса (например, солнечная энергия) превышают сколь угодно растущие потребности человечества. Лидерами этого направления можно считать американского экономиста Юлиана Саймона, географа С.Б.Лаврова и др. [12, 13].

Спор между сторонниками двух направлений часто приобретает политизированный характер, что усложняет возможность объективно оценить позиции ученых. Разберем возможность глобального кризиса, опираясь на основные положения одного из основателей экологии Г.Ф. Гаузе [19].
Рост биомассы и численности любого вида ограничены. Это - частный случай общефилософского положения о том, что ни один процесс не может бесконечно развиваться по одному и тому же закону. Изменение численности любой биологической популяции проходит через несколько стадий - см. рис.1. На первой стадии численность неизменна. Эта стадия была известна ещe античным и средневековым философам, большинство из которых проводили идею неизменности живого мира. На второй стадии наблюдается рост числа организмов со скоростью геометрической прогрессии. Именно на эту стадию обратил внимание Мальтус. На третьей стадии вновь наблюдается стабилизация численности на достигнутом уровне. Эту стадию описал в 1838 году немецкий естествоиспытатель Ферхюльст. Наконец, может наступить 4-я стадия - сокращение численности, которая, однако, в природных условиях обычно не опускается до нуля.

Отсюда формируется первый подход к оценке качества природной среды - антропоцентрический. Он основан на оценке динамики численности населения. Если население растет (вторая стадия кривой Ферхюльста - Гаузе) или не сокращается (3-я стадия) то ситуацию можно считать относительно благополучной. Динамика численности населения определяется двумя параметрами - рождаемостью и средней продолжительностью жизни (а также функционально связанной с ней смертностью). Рождаемость в определенный момент развития популяции неизбежно начинает падать, причем это может происходить и в результате роста, и в результате снижения уровня жизни. Увеличение продолжительности жизни происходит в результате роста уровня жизни. Таким образом, если в регионе средняя продолжительность жизни (ПЖ) растет или не сокращается, т.е.

то экологическую ситуацию в регионе следует считать благоприятной. Назовем такой подход к оценке качества природной среды антропоцентрическим. По аналогии можно выделить специоцентрический подход, основанный на анализе состояния популяции одного вида, который является либо охраняемым для данной территории, либо индикаторным, через состояние которого оценивается качество среды. Если для вида численность (N) не имеет тенденции к снижению, т.е.

то экологическое состояние относительно благополучно. Сторонники группы теорий "глобальных кризисов" говорят о необратимом разрушении биосферы Земли, вызванном хозяйственной деятельностью человека и научно-техническим прогрессом. В популярной и научной литературе приводились оценки, согласно которым в год исчезает до 10 000 биологических видов [8]. Однако, серьезной аргументации этой цифре нет. Последние годы международные организации и Госкомэкологии РФ привели иные оценки - 384 вида исчезли за 400 лет, т.е. менее, чем 1 вид в год [16]. Международная Красная книга на сегодняшний день насчитыват около лишь 100 видов. На фоне общего видового разнообразия, оцениваемого от 8 миллионов до миллиарда [11], эти цифры не вызывают тревоги. Достоверные случаи исчезновения видов обычно связаны не с прямой деятельностью человека, а конкуренцией, осуществляемой по закону Гаузе. Американский странствующий голубь был вытеснен европейским голубем. Тасманийский сумчатый волк был вытеснен собакой динго, относящейся к плацентарным, более высокоорганизованным млекопитающим. Стеллерова корова была вытеснена дюгонем, имевшим сходную экологическую нишу и более выраженную оборонительную реакцию. К тому же даже изсчезновение этих трех видов не является абсолютно доказанным фактом, возможно малые популяции сохранились до сего дня [20]. Большая часть видового разнообразивя на планете представлено насекомыми, вид которых уничтожить практически невозможно.

В своих работах Вернадский сформулировал закон константности или постоянства массы и основных характеристик биосферы (добавим, что в последних трудах он делал остророжное предположение, что масса биосферы и, соответственно, биологическое разнообразие могут несколько возрастать за счет совершенства техники жизни)[4]. Утверждение Вернадского нельзя считать абсолютно доказанным, однако косвенные данные свидетельствуют в его пользу. Если бы шло разрушение биосферы, снижение биомассы и биологического разнообразие, это в первую очередь сказалось бы на фитомассе, составляющей 99.2% массы всей биосферы. Снижение суммарной фитомассы не имеет места. С конце Средневековья до середины 20 века, действительно, имело место некоторое сокращение лесных массивов за счет массовых вырубок. С середины 20 века процесс сменился на противоположный, в связи с тем, что современная технология требует все меньше древесины. Локальные же скоращения величины фитомассы, как и выбросы углекислого газа естественного и антропогенного происхождения, компенсируются активизацией фотосинтеза [13,16]. О высокой гомеостатичности биосферы, способности противостоять любым повреждающим воздействиям, свидетельствует, например, постоянство концентрации кислорода в атмосфере, которое является функцией интенсивности фотосинтеза и общей массы биосферы, которое документально подтверждено геологическими методами за последние миллионы лет [11]. В соответствии с принципами глобальной экологии, основанной Вернадским, ни один из вымирающих видов не оставляет после себя свободного места. Оно сразу же заполняется другими видами. При этом в большинстве случаев вымирание оказывается мнимым. Дело в том, что наряду с известными и распространенными видами на планете существует множество "скрытых видов", численность которых достаточна для самоподдержания, но мала для устойчивой фиксации их методами полевой экологии. При освобождении экологической ниши доминировавшем в ней прежде видом, находящиеся рядом скрытые виды быстро начинают размножаться и заполнять брешь в биосфере. При этом геометрическая прогрессия размножения (вторая стадия кривой на рис.1) дает возможность заполнить сколь угодно большую нишу за считанное число поколений [12]. Наше время породило много экологических проблем, связанных с ухудшением среды обитания для человека и других представителей живой природы. Но эти проблемы не связаны с глобальным разрушением биосферы. Защитные силы еe очень велики. Биосфера устроена иерархично. Она состоит из ландшафтных зон, те - из биоценозов, биоценозы из популяций и т.д. Низший уровень организации живого - молекулярнй. Более низкие уровнь структурной организации не несут специфики живого. Существует соотвествующая иерархия защитных механизмов. Клетка отстаивает себя, отбрасывая ненужный структуры молекулярного уровня, организм для самосохранения отбрасывает ненужный клетки, популяция - наименее нужных особей, биосфера в целом сохраняет себя ценой потери недостаточно приспособленных видов и экосистем.
Таким образом, высокую стабильность биосферы обеспечивают:
-?Адаптивные возможности особей, входящих в состав любой популяции, реализуемые в течении онтогенеза. Внутренние адаптационные резервы активизируются в ходе стресса и иных генерализованных адаптационных синдромов [14].
-?Высокая потенциальная изменчивость любого вида, возможность подключения дополнительных источников повышения изменчивости при попадании популяции в неблагоприятную среду [1,11].
-?Мощь геометрической прогрессии размножения, впервые оцененная Мальтусом и в ее биологических последствиях описанная Дарвиным.
-?Многообразие видов в биоценозах, среди которых могут оказаться приспособленные к любым условиям.
Таким образом, программы, связанные с повышением глобальной устойчивости биосферы и обеспечением поддержания биологического разнообразия в масштабах всей планеты путем определенной международной демографической политики, следует считать необоснованными. Эти процессы управляются силами, неподконтрольными человеку. Можно говорить о региональном экологическом контроле, ибо в отдельных регионах ситуация может меняться в неблагоприятную для человека сторону, и этими процессами в каких-то пределах можно управлять.

Локальная оценка экологического благополучия

Выше мы рассмотрели два подхода к локальной оценки природной среды- антропоцентрический и специоцентрический. Предложим третий - биоценозоцентрический. Состояние биоценоза характеризуется двумя параметрами - биомассой и видовым разнообразием. Простейший подход - оценка биомассы на единицу площади ( в первую очередь растительной, т.к. растения составляют 99.2% массы биосферы - [6,10]. Если биомасса (ВМ) в регионе стала достоверно уменьшаться:

-?это признак неблагополучия. Другая важная характеристика - видовое разнообразие. Его оценка опирается на принцип "Необходимого разнообразия Эшби", который утверждает что гомеостатичность системы возможна при неком минимальном уровне разнообразия входящих в нее элементов. Методы оценки разнообразия менее просты, чем методы оценки биомассы. Во всяком случае, его нельзя оценивать числом видов на единицу площади хотя бы потому, что нет объективных методов такой оценки.

Распределение видов по численности описывается уравнением

где D, G, H - коэффициенты [11]. Точки А, В, С разграничивают три категории видов - доминирующие (определяющие структуру биоценоза) редкие и скрытые, т.е. насколько редкие, что они не могут устойчиво фиксироваться методами полевой экологии. Последних особенно много и среди их разнообразия может выявиться вид, преадаптированный почти к любым изменениям природной среды. Устойчивость биоценоза определяется не абсолютным числом видов, а той их пропорцией, которая обеспечивает должную гомеостатичность экологической системы. В качестве показателей разнообразия (D) можно использовать формулу Шеннона:

где р - доля i-го вида в биоценозе. Достоверное снижение показателя разнообразия свидетельствует о снижении уровня устойчивости системы. Второй вариант оценки степени разнообразия - через значение коэффициента Н в формуле (1). Его достоверное увеличение говорит о увеличении степени доминирования небольшого числа видов и снижении необходимого разнообразия.

Заключение

Необходимо признать, что природная среда непрерывно меняется. Природу нельзя сохранить в неизменном состоянии. При этом изменения, вызванные естественными причинами, обычно значительнее, чем связанные с социальной деятельностью человека. При любых изменениях среда должна сохранять свою оптимальность для человека и не требовать включения адаптивных резервов, даже если они у человека как вида еще есть. Генеральная стратегия охраны природы должна основываться не только на сохранении человеческой популяции (она уцелеет даже после ядерной войны), но на создание благоприятных условий для подавляющего большинства человеческих индивидуумов. Генеральный показатель оптимальности, применяемый в антропоцентрическом подходе к состоянию среды - средняя продолжительность жизни. Еe сокращение в каком-либо регионе свидетельствует об экологическом неблагополучии.

Актуальная стабильность биосферы в определенном районе основана, исходя из биоценозоцентрического подхода к оценке качества среды, на оценки биомассы на единицу площади. Если происходит еe достоверное снижение, то экологическая обстановка неблагоприятны. Потенциальная стабильность природной среды обеспечивается определенным уровнем биологического разнообразия в регионе. Его снижение свидетельствует о снижении уровня гомеостатичности данной экологической системы. Способ обеспечения должного уровня биологического разнообразия - создания резерватов, выведенных из-под антропогенного пресса, которые могут взять на себя аккумуляцию биологического разнообразия в масштабах региона.

Список литературы

1.Архипцева Н.Т., Петров В.В., Покровский В.В. Рыбные запасы озер Ленинградской области // Изв. ГосНИОРХ, 1977, т.124, с 135.


2.Васильев С.В., Воздействие нефтедобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы. Новосибирск, Наука, 1988, 136 с.


3.Вернадский В.И. Размышления натуралиста., М., Наука, 1975, 175 с.


4.Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М., Рольф, 2002.


Ильин Л.А. Реалии и мифы Чернобыля. М., Алара Лимитед, 1994, 446 с.


Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М., Наука, 1979.


5.Кошелева В.В. и др. Реакция гидробионтов на загрязнение среды при разработке нефтегазовых месторождений шельфа Баренцова моря. Мурманск, ПИНРО, 1997, 92 с.


6.Медоуз Д. И др. За "пределами роста"., М, Наука, 1993.


Мирецкий Г.И. и др. Чернобыль - масштабы медицинских последствий // Жизнь и безопасность, 4, 1998, с. 245 - 247.


7.Основы экологии. Ред.В.Л.Обухов и В.Б.Сапунов. Учебник для средней школы. С-Пб, Спецлит, 1998.


8.Сапунов В.Б. Критерии экологического благополучия. // Ноология, экология ноосферы, здоровье и образ жизни. С-Пб, Наука, 1996, с.80 - 85


9.Сапунов В.Б. Глобальные основы устойчивости биосферы. // Фундаментальные проблемы естествознания, С-Пб, РАН, 1998а, с. 187 - 188.


10.Сапунов В.Б. Скрытый экологический резерв биосферы. // Региональная экология, 1998б, 1, с. 13 - 17.


11.Селье Г.Стресс без дистресса., М., Прогресс, 1979.


Тайерни Д. Пари о мировых ресурсах Диалог - США, 1992, 50, с. 60 - 65.


12.Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы., М., Наука, 2003.


Экологическая обстановка в Ленинградской области в 1992 г. С-Пб, Ленкомэкология, 1993.


13.Darwin C. The origin of species. L-n, J.Murray, 1859.


Gause G., Struggle for existance. N.Y., A.P., 1934.


14.Heuvelmans B. The sources and methods of cryptozoological research // Cryptozoology, 1988, V. 7., p. 1 - 21.