12. Экологические проблемы современности

На данном уроке мы рассмотрим главные закономерности природы, обеспечивающие устойчивость экосистем: цикличность явлений, отрицательную обратную связь и биологическое разнообразие. Обсудим историю взаимоотношений человека и окружающей среды, последствия негативных изменений в биосфере, возникших по вине человека, а также необходимость рационального использования природы и её охраны.

Современный человек, как и человек, живший тысячи лет назад, тесно связан с живой природой материальными и духовными потребностями. Для человека как биологического вида природа — среда жизни, источник его существования.

Так же, как и любой биологический вид, своей жизнедеятельностью он оказывает воздействие на природную среду. Однако масштабы этого воздействия и вносимых человеком изменений со временем неуклонно растут (рис. 1).

В первобытное время люди не оказывали заметного влияния на окружающую среду, но около 10−15 тысяч лет назад от собирательства и охоты они стали переходить к оседлому образу жизни, выращивать растения и одомашнивать животных (рис. 2).

В связи с развитием скотоводства и земледелия началось разрушение сложившихся природных сообществ. Увеличение численности домашних животных, которые вытаптывали растительность, и распространение подсечного земледелия привели к замене лесов саваннами, а впоследствии, вместе с изменениями климата в некоторых районах планеты, — к эрозии почв и опустыниванию почвы (рис. 3).

В новом каменном веке началось освоение минеральных природных ресурсов, что привело к зарождению металлургии (рис. 4).

Однако это воздействие человека на природу ещё не оказывало влияния на биосферу в целом.

Дальнейший рост численности людей, рост городов, расширение пахотных земель, развитие науки и производства привели к увеличению антропогенной нагрузки на природу, возникновению экологических проблем, которые приобрели глобальный характер.

Экологическими проблемами называют изменения природной среды, которые ведут к нарушению структуры и функционирования природы.

Экологические проблемы, затрагивающие всю Землю, называют глобальными. К глобальным проблемам относят: изменение климата, загрязнение атмосферы и Мирового океана, истощение и эрозию почв, опустынивание, разрушение озонового слоя, сокращение площади лесов, уменьшение биологического разнообразия и другие.

Чрезмерное загрязнение биосферы приводит к нарушению сбалансированного существования природных экосистем. Самыми важными факторами, влияющими на поддержание устойчивости биогеоценоза, являются цикличность, отрицательные обратные связи и видовое богатство.

Цикличность химических элементов — основа биологического круговорота веществ. Кислород, водород, углерод, азот и другие биогенные химические элементы осуществляют многократные перемещения между живыми организмами и неживой природой (рис. 5). Такое многократное использование ограниченного количества доступных ресурсов является основой непрерывности жизни.

Сущность отрицательной обратной связи заключается в том, что при отклонении биологической системы от нормального состояния в ней возникают изменения, которые противодействуют этим отклонениям, что возвращает систему в исходное состояние. Отрицательная обратная связь осуществляет регуляцию на разных уровнях биологических систем. Благодаря отрицательной обратной связи на уровне биотических межвидовых взаимоотношений осуществляется регуляция численности популяций в сообществах. В основном это связи хищник — жертва, паразит — хозяин, связи между видами- конкурентами (рис. 6).

Например, рост численности жертв (зайцев) увеличивает обеспеченность пищей хищников (волков), увеличивает шансы размножения и оставления потомства. В свою очередь, повысится негативное влияние хищника на жертву, что приведёт к снижению численности зайцев (рис. 7). Таким же образом, согласно принципу обратной связи, уменьшение численности жертв приведёт к уменьшению численности хищников.

Ещё одной важной закономерностью устойчивости экосистем является биологическое разнообразие (рис. 8). Именно разнообразие видов позволило живым организмам освоить все уголки нашей планеты и наиболее полно использовать ресурсы окружающей среды. Биологическое разнообразие видов является необходимым условием для протекания первичных и восстановительных (или вторичных) сукцессий: присутствие семян нужных видов растений, сопутствующих животных, например насекомых-опылителей, организмов-разлагателей.

Благодаря биологическому разнообразию в природных сообществах происходит не только взаимная дополняемость, но и взаимная заменяемость видов. Выпадение из сообщества какого-либо вида может произойти безопасно для биоценоза, если только он не является средообразователем (или эдификатором), например, в сосновом лесу видом-средообразователем является сосна (рис. 9). Тогда его функции могут принять на себя другие виды — конкуренты, однако это возможно, если в данном сообществе представлено большое разнообразие видов.

Отсутствие видового разнообразия приводит к нарушению способности экосистем к саморегуляции (рис. 10).

Объекты природы и важнейшие компоненты природной среды, которые человек использует в своей деятельности, называют природными ресурсами.

Человечество использует различные природные ресурсы, которые по степени их истощения делят на исчерпаемые и неисчерпаемые.

В свою очередь, исчерпаемые природные ресурсы подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые.

Возобновляемые природные ресурсы — это почва, растительность, животный мир, а также минеральные соли, например глауберова и поваренная соли, которые осаждаются в соляных озёрах и морских лагунах (рис. 11). Эти ресурсы постоянно восстанавливаются, если сохраняются необходимые для этого условия. Возобновляемость биологических ресурсов (растений, животных) определяется процессами их размножения, и основным принципом использования этих ресурсов является их неистощимость, то есть использование прироста продукции в масштабах, не превышающих процесс их воспроизводства.

К невозобновляемым относят ресурсы, которые не возрождаются или процесс восстановления которых происходит во много раз медленнее, чем они расходуются. К таким ресурсам относятся каменный уголь, нефть, природный газ, металлические руды и другие полезные ископаемые (рис. 12).

Климатические, космические, водные ресурсы относят к неисчерпаемым природным ресурсам (рис. 13). Их резервы огромны.

Общие запасы воды на нашей планете неисчерпаемы, их основу составляют воды Мирового океана, но пока доля их использования незначительна. К сожалению, в отдельных районах воды морей и океанов подвергаются загрязнению бытовыми отходами, отходами промышленного производства, нефтью, поступающими с полей минеральными удобрениями и ядохимикатами, что влияет на жизнедеятельность обитающих в них растений и животных (рис. 14).

Пресную воду, которая является для человека необходимым жизненным ресурсом, чаще относят к исчерпаемым природным ресурсам, что связано с обмелением рек и озёр, их загрязнением, использованием пресной воды для орошения сельскохозяйственных растений и нужд промышленных предприятий (рис. 15).

Многие промышленные предприятия внедряют у себя подходы по экономному водоиспользованию. Например, используют воду после очистных сооружений для смыва в туалетах или возвращают конденсированную воду от парового отопления обратно в производственный цикл (рис. 16).

Агропредприятия применяют различные технологии рационального использования воды при выращивании сельскохозяйственных культур. Для более рационального полива используются датчики влажности почвы, что помогает контролировать запасы влаги в почве на глубине до одного метра, отслеживать доступность влаги для корневой системы растений (рис. 17). Затем поливная норма рассчитывается, исходя из реальной ситуации на каждом конкретном поле, что позволяет не расходовать лишнюю воду.

Также для определённых культур применяется капельный полив (рис. 18). За счёт снижения потерь воды на испарение с поверхности почвы и растений достигается экономия воды.

Деятельность человека оказывает влияние не только на окружающую непосредственно его самого среду, но и на биосферу в целом. Одной из наиболее серьёзных современных экологических проблем является выброс в окружающую среду различных веществ-загрязнителей, которые, попадая в воздух, воду, почву, нарушают протекающие в них естественные круговороты элементов.

Состав воздуха поддерживается в результате процессов жизнедеятельности живых организмов (рис. 19а). Изменение этого баланса возникает вследствие поступления в атмосферу в основном промышленных газов (рис. 19б). Кроме того, из-за уменьшения площади лесов, саванн (рис. 19в), степей сокращается и число продуцентов кислорода. Это происходит не только в наземных, но и в водных экосистемах.

Основным поставщиком кислорода (главным продуцентом) на Земле служат зелёные водоросли поверхности океана (60%) и тропические леса суши (30%).

Главный загрязнитель атмосферы — сернистый газ (), который выделяется при сгорании каменного угля, нефти, при выплавке металлов, производстве серной кислоты и является причиной выпадения так называемых кислотных дождей (рис. 20).

Кислотные дожди вызывают не только разрушение строительных конструкций, памятников архитектуры, но и эрозию почв, деградацию лесов, приносят большой вред водным экосистемам, так как мелкие водные животные, а также икра рыб и земноводных очень чувствительны к изменению кислотности среды (рис. 21).

Загрязнение атмосферы фреонами — веществами, которые используются в качестве компонентов хладореагентов в холодильных установках и аэрозольных баллончиках — приводит к нарушению озонового слоя, находящегося на высоте около 20 км над поверхностью Земли (рис. 22). Эти вещества поднимаются в стратосферу, где взаимодействуют с озоном, разрушая возникшую более 2 млрд лет назад оболочку Земли, защищающую живые организмы от воздействия губительного ультрафиолетового излучения (рис. 23).

Использующиеся в сельском хозяйстве ядохимикаты (рис. 24) оказывают воздействие не только на вредителей, но и на все живущие рядом организмы (птиц, червей, насекомых-опылителей) (рис. 25).

Многие загрязнители — трудно разрушающиеся вещества, они способны передаваться по пищевым цепям и накапливаться в тканях. К таким соединениям относятся многие радиоактивные атомы, соли тяжёлых металлов и другие вещества.

Численность и разнообразие опылителей в последние десятилетия сократились, и данные свидетельствуют о том, что это снижение связано, прежде всего, с деятельностью человека, включая изменение климата, которое может привести к нарушению сезонов цветения (рис. 26, 27).

Устойчивые методы ведения сельского хозяйства, и в частности агроэкология, могут помочь защитить пчёл за счёт сокращения воздействия пестицидов и содействовать диверсификации сельскохозяйственного ландшафта (рис. 28).

Плодородие почвы зависит от толщины слоя гумуса, который накапливается в результате деятельности живых организмов в течение тысячелетий (рис. 29).

Однако со второй половины XX века вследствие эрозии плодородие почв стало снижаться. Эрозией почвы называют разрушение верхнего плодородного слоя в результате выноса ветром или смывания водами (рис. 30а). Она возникает вследствие уплотнения почвы сельскохозяйственной техникой (рис. 30б), вырубки лесов, интенсивного выпаса скота на пастбищах (рис. 30в), что в конечном итоге может привести к опустыниванию.

В целях сохранения плодородия почвы в сельском хозяйстве внедряются технологии, которые бережно относятся к окружающей среде.

Технологии сохранения плодородия почвы:

1. Севооборот. Чередование культур на одном поле способствует сохранению плодородия почвы, исключает возможность воздушных или водных эрозий, а также позволяет сохранять влагу и накапливать питательные вещества (рис. 31). Также севооборот способствует защите посевов от сорняков, болезней и вредителей.

1. Применение особых культур. Применяются покровные культуры, защищающие почву от эрозии, сохраняющие влагу в почве и способствующие естественному структурированию почвы (рис. 32).

1. Обработка почвы. Также применяются технологии минимальной или полосовой обработки почвы, механическая прополка вместо борьбы с сорняками с помощью химических средств защиты (рис. 33).

Совокупность всех видов живых организмов на планете составляет её биоразнообразие. Именно биоразнообразие является условием устойчивости экосистем. Не только прямое истребление человеком диких животных и растений, но также и нарушение мест их обитания привели к тому, что многие виды стали редкими и нуждаются в охране, а некоторые исчезли навсегда. Среди них шерстистый носорог, мамонт, морская, или стеллерова, корова, дронт и другие животные (рис. 34).

Вместе с тем имеется немало примеров восстановления численности отдельных видов животных, например зубра, косули, соболя, лося, речного бобра (рис. 35).

Для сохранения отдельных видов растений и животных создаются особо охраняемые природные территории (ООПТ): заповедники, национальные парки, заказники, памятники природы.

В заповедниках живая природа является эталоном (образцом), наблюдая за которой учёные делают выводы о том, какое влияние оказывает деятельность человека на окружающую среду (рис. 36).

Заказников гораздо больше, чем заповедников. Заповедный режим на этих территориях вводится на время восстановления численности того или иного вида. Чаще всего их организуют в местах гнездования птиц, нереста рыб, на территориях, где встречаются редкие растения и животные (рис. 37–38).

Национальные парки в целом являются особо охраняемой природной территорией, в них предусмотрены заповедные зоны, имеется возможность для организации научных исследований, проведения мониторинга, но, в отличие от заповедников, возможен организованный отдых: для туристов прокладывают специальные тропы для передвижения и организуют места для их стоянок (рис. 39).

Большую роль в восстановлении численности редких растений и животных играют зоологические парки и ботанические сады (рис. 40).

Меры по сохранению биосферы, которые предпринимаются человеком в настоящее время, направлены на рациональное использование природных ресурсов.

Рациональное природопользование — это разумные оптимальные способы эксплуатации природных и искусственных экосистем. Что это означает?

К примеру, лес используется как источник древесины, которая служит сырьём для строительства, химической промышленности (рис. 41–42).

Однако следует учитывать, что он имеет важное водоохранное, водорегулирующее, почвозащитное, климатообразующее значение. Леса способствуют равномерному поступлению воды в источники, так как снег в лесу тает медленнее. Они смягчают наводнения, предотвращают заболачивание почв, защищают водоёмы от загрязнения (рис. 43а). Лесные насаждения создают защиту почв от эрозии, улучшают санитарно-гигиенические условия населённых мест (рис. 43б). Лес — место обитания многих видов живых организмов (рис. 43в).

И, наконец, лес обладает эстетической ценностью: мы просто любуемся его красотой (рис. 44). Поэтому леса необходимо использовать в интересах не только различных отраслей производства, но и туризма, здравоохранения, заботясь при этом о сохранении их чистоты и восстановлении запасов.

Ещё один пример рационального подхода к природопользованию — это реализованные инициативы некоторых компаний по полному возврату отходов в производственные цепочки. Например, повторное изготовление продукции из использованной упаковки или производство компоста или биогаза из пищевых отходов (рис. 45).

Создание экологически устойчивого общества в России невозможно без объединения усилий бизнеса, государства, некоммерческих организаций, образовательных организаций и самих потребителей. В частности, многие международные компании создают кросс-функциональные команды из разных стран для координации усилий по внедрению регенеративного сельского хозяйства (рис. 46). Данный способ ведения сельского хозяйства отличается от так называемого «интенсивного» тем, что ставит своей задачей не только экономическую эффективность и высокое качество производимой продукции, но также отслеживает влияние деятельности хозяйствующих субъектов на людей (непосредственно фермеров и их сотрудников), животных, воду, почву, биоразнообразие и даже на выделяемый углеродный след.

Такой подход позволяет оценить работу поставщиков целиком и, выявив негативное влияние, предложить технологии, которые помогут нейтрализовать (или как минимум скорректировать) негативное влияние на любом из направлений.

Это непростая работа, которая требует усилий как со стороны фермеров, так и со стороны государства, производителей и потребителей. Но только совместными усилиями мы можем изменить ситуацию к лучшему и сохранить планету (рис. 47).

По прогнозам учёных, население Земли в ближайшие 30 лет вырастет до 9,7 миллиардов, что ставит ребром вопрос обеспечения всех жителей нашей планеты необходимым количеством полезной и доступной еды (рис. 48–49).

Кроме того, важно не только минимизировать угрозу голода для будущих поколений за счёт увеличения объёмов производства, но и модернизировать производственные технологии в пищевой отрасли. Необходимо коренным образом изменить глобальную продовольственную и сельскохозяйственную системы. Чтобы прокормить более 690 миллионов человек, которые сегодня голодают, и ещё 2 миллиарда человек к 2050 году (рис. 50).

 Повышение производительности сельского хозяйства и устойчивое производство продовольствия имеют решающее значение для сокращения опасности голода. Натуральные продукты питания на растительной основе являются рациональным решением для планеты, население которой приближается к 9 миллиардам человек и которая обладает высоким уровнем деградации экосистем (рис. 51).

Таким образом, рациональное природопользование подразумевает наиболее полное использование природных ресурсов, уменьшение объёма их потребления, восстановление, использование и переработку всех отходов производства.

Для осуществления рационального использования природы необходима согласованная деятельность людей — международное сотрудничество в деле охраны окружающей среды, разработка эффективных механизмов реализации экологического законодательства, внедрение безопасных для окружающей среды энергосберегающих технологий, а также экологическое образование населения Земли.

Полезные ссылки

1. Список рекомендованных учебников.

Проверьте себя

1. Назовите главные закономерности устойчивости живой природы.

2. Каковы функции отрицательной обратной связи в биогеоценозе?

3. Какие природные ресурсы называют возобновляемыми, а какие невозобновляемыми?

4. Почему загрязнение атмосферы, гибель экосистем называют глобальными экологическими проблемами?

5. Какие меры предпринимаются человеком для сохранения биологического разнообразия?

6. Что подразумевают под рациональным природопользованием?

Список использованных источников:

Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

Иллюстратор Халитова В. М.