Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 502/504

Редакционно-издательского совета ГАОУ ВО МГПУ

Монография

БИОТЕХНОСФЕРА: ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Суздалева А.Л.

Горюнова С.В.

Биотехносфера - это биосфера, изменившаяся под воздействием техногенных факторов. В монографии рассматриваются различные явления, обусловленные техногенезом атмосферы, гидросферы, педосферы, литосферы и биологических сообществ, а также негативные явления, сопутствующие техногенной трансформации окружающей среды и наносящие экологический и социально-экономический ущерб. Анализируются меры борьбы с этими явлениями. По мнению авторов монографии, по своей структурно-функциональной организации биотехносфера представляет собой потенциально управляемую природно-техническую систему (ПТС) глобального масштаба, состоящую из иерархии ПТС более низкого ранга и сохранившихся экосистем. Рассматриваются возможные способы управления процессами, происходящими в биотехносфере. Для их разработки необходима смена парадигмы природоохранной деятельности. Ограничительная парадигма должна уступить приоритет креативной парадигме, подразумевающей активное вмешательство в ход экологических процессов с целью предотвращения их техногенной трансформации.

Для описания новых подходов к решению экологических проблем разработана специальная терминология, приведенная в словаре специальных терминов в приложении к монографии.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОТЕХНОСФЕРЫ

1.1 Биотехносфера как особое состояние биосферы

1.2 Биотехносфера, ноосфера и техносфера

1.3 Формирование биотехносферы и мировые социально-экологические кризисы

ГЛАВА 2. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ УПРАВЛЯЕМОЙ БИОТЕХНОСФЕРЫ

2.1 Природно-технические системы как структурный элемент биотехносферы

2.2 Основные виды природно-технических систем и пути их формирования

2.3 Парадигмы природоохранной деятельности

2.4 Историческое развитие процесса техногенеза окружающей среды и востребованность создания управляемых ПТС

2.5 Структурно-функциональная организация современной биотехносферы и тенденции ее развития

ГЛАВА 3. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ АТМОСФЕРЫ

3.1 Структура и основные свойства атмосферы

3.2 Парниковый эффект и меры по предотвращению его развития

3.3 Разрушение озонового слоя

3.4 Глобализация процесса загрязнения атмосферы

ГЛАВА 4. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГИДРОСФЕРЫ

4.1 Основные части гидросферы и особенности изучения процессов их техногенеза

4.2 Истощение водных ресурсов

4.3 Зарегулирование речного стока

4.4 Нарушение стратификации Мирового океана при освоении ресурсов его глубинных слоев

ГЛАВА 5. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПЕДОСФЕРЫ

5.1 Общая характеристика современного состояния почвенного покрова, его экологические функции и степень деградации

5.2 Эрозия почв как одна из форм техногенеза окружающей среды

5.3 Истощение почв

5.4 Урбанизация почвенного покрова

ГЛАВА 6. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛИТОСФЕРЫ

6.1 Литосфера и ее экологические функции

6.2 Нарушения ресурсной экологической функции литосферы и меры по их минимизации в процессе глобального техногенеза

6.3 Нарушение геодинамической, геохимической, геофизической функций литосферы и возможности управления этими процессами

ГЛАВА 7. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА БИОСФЕРЫ

7.1 Биотехногенез и его основные формы

7.2 Биотехногенез и возможные пути сохранения биоразнообразия

7.3 Урбанизационный биотехногенез

7.4 Инвазионный биотехногенез

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СЛОВАРЬ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Авторы монографии возложили на себя нелегкую задачу выявления связей науки о взаимодействии живых организмов со средой обитания и многогранными процессами хозяйственной деятельности. Это попытка оценить современное состояние биосферы, для обозначения которой в научной литературе используется термин «биотехносфера», отражающее использование природных ресурсов в интересах человека. Односторонний взгляд на проблему с позиций природопользования оправдывает применение различных технологий, использующих природные ресурсы без осмысления их ограниченности и чувствительности к внешним воздействиям.

Как справедливо отмечают авторы монографии, современное состояние биосферы является неустойчивым и проявляет все более заметную тенденцию к деградации. Данный факт уже очевиден не только специалистам. Незаметно для себя многие люди, даже не проявляющие интереса к экологическим проблемам, вместо слова «природа» стали все чаще употреблять выражение «окружающая среда».

Никто не сомневается в том, что необходимо остановить разрушение среды обитания, в которой мы живем. Меры, предпринимаемые для этого, сейчас явно недостаточны, хотя и дают определенный эффект. Нужен поиск новых путей решения проблемы. Именно в этом и заключается основное достоинство монографии А.Л. Суздалевой и С.В. Горюновой. Предлагаемая ими смена парадигмы природоохранной деятельности позволяет по-новому взглянуть на способы решения важнейших экологических проблем. Вместе с тем многие из высказываемых ими суждений, несомненно, не могут быть безоговорочно приняты, но практически все заслуживают серьезного и непредвзятого обсуждения.

Материалы монографии включают описание весьма широкого круга процессов, обусловливающих переход биосферы в состояние биотехносферы. Отдельные разделы посвящены анализу экологических и социальных последствий техногенеза атмосферы, гидросферы, педосферы, литосферы, а также биоты и структуры биологических сообществ. В каждом из этих разделов также рассматриваются и предлагаемые меры по предотвращению и смягчению негативных явлений.

Основная идея, объединяющая в единое целое материалы монографии, - это необходимость научно обоснованного создания управляемых природно-технических систем. Следует отметить, что данному вопросу в последние годы было посвящено немало научных публикаций. Но большинство их них носит описательный характер, рассматривая особенности конкретных природно-технических систем или их отдельных типов. В отличие от этого, авторы монографии рассматривают данные объекты как иерархическую структуру. С их точки зрения, биотехносфера - это трансформированная биосфера, учитывающая обмен веществом, энергией и информацией между объектами природной и техногенной сред.

Биотехносферу, по мнению авторов монографии, как и природно-техническую систему меньшего масштаба, можно сделать управляемой. Но, в отличие от ноосферы В.И. Вернадского, это управление предлагается осуществлять не на основе научных идей, а путем придания природоохранной функции различным инженерно-техническим сооружениям и их системам. Например, ГЭС защищают территории от наводнений или осуществляют «экологические попуски вод» в периоды засух.

Насколько эти идеи окажутся востребованными - покажет будущее. Сейчас же можно лишь утверждать, что материалы монографии представляют интерес для широкого круга специалистов. Кроме того, их следует рекомендовать для использования в учебном процессе различных ВУЗов как экологического, так и чисто технического профиля. Знакомство с монографией будет способствовать повышению эрудиции читателей.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время биосфера Земли под влиянием человеческой деятельности из естественной саморегулирующейся системы постепенно превращается в неуправляемо деградирующую систему, для обозначения которой в научной литературе все чаще используется термин «биотехносфера».

Техногенная трансформация окружающей среды, сокращено называемая ее техногенезом, как правило, не приводит к полному уничтожению экосистем, а к формированию на их основе так называемых «природно-технических систем» (ПТС). Соотношение естественных и искусственных элементов в ПТС колеблется в широком диапазоне, но все они являются средой обитания различных живых организмов. Именно в ПТС, а не в естественных экосистемах существует современный человек.

Образование ПТС в той или иной форме сопутствовало развитию человеческой цивилизации практически с момента ее зарождения. Но в предшествующие исторические эпохи процесс техногенеза окружающей среды проявлялся лишь в определенных частях биосферы. Наряду с ее техногенно-трансформированными участками могли существовать природные экосистемы, не испытывавшие значимого воздействия человека. Отличительной чертой современности является глобализация процессов техногенеза. В настоящее время даже удаленные от промышленных зон экосистемы испытывают различные техногенные воздействия, например, в результате спровоцированных развитием промышленного производства глобальных климатических изменений, атмосферного переноса загрязнителей и т.п. По мере усиления значимости этих воздействий происходит превращение этих экосистем в ПТС.

Глобализация техногенеза привела к возникновению биотехносферы. В отличие от ранее существовавшей биосферы условия на любом из ее участков и ее общее состояние определяются совокупным воздействием природных и техногенных факторов. Таким образом, биотехносфера - это природно-техническая система глобального масштаба.

Различные формы земной биологической жизни, включая человека, вынуждены существовать в среде, все больше отличающейся от той, в которой они сформировались в процессе естественной эволюции. Но круг проблем, порождаемых глобальным техногенезом, значительно более широк. Окружающая среда - это не только совокупность условий, в которых протекают физиологические процессы живых организмов. Это и условия, в которых человек нуждается для осуществления своей деятельности. Исчерпание природных ресурсов, загрязнение водной и воздушной сред, истощение почв и их эрозия - это далеко не полный перечень факторов, имеющих не только экологическое, но и важнейшее экономическое значение. В последние десятилетия проблемы техногенеза окружающей среды начинают играть все большую роль в политике и даже геополитике. Например, происходящие глобальные климатические изменения существенно усугубляют проблему дефицита питьевой воды и продовольственный кризис в ряде регионов. В экономически развитых странах население выражает все большую обеспокоенность глобализацией загрязнения окружающей среды, создающей угрозу для здоровья. По этим причинам практически все современные политические партии уделяют в своих программах внимание решению экологических проблем, а государства усиливают борьбу за контроль над оставшимися природными ресурсами. Декларируемые и реально предпринимаемые ими действия могут оказать существенное влияние на дальнейший сценарий развития биотехносферы.

Таким образом, экологические проблемы биотехносферы нецелесообразно рассматривать в отрыве от других проблем, также обусловленных процессом глобального техногенеза. Этим принципом руководствовались и авторы монографии. В ней рассматриваются не только сами процессы техногенной трансформации естественной среды, но и проблемы, связанные с грядущими изменениями условий жизни людей.

Опасность дальнейшей деградации биотехносферы уже ни у кого не вызывает сомнений, как и необходимость принятия мер, направленных на ее предотвращение. Однако традиционные формы природоохранной деятельности в существующих условиях непрерывного повышения техногенного прессинга на окружающую среду уже не приносят желаемого результата: сейчас нельзя отграничить участки с благоприятными экологическими условиями от неблагополучных зон. Непрекращающийся рост народонаселения и объемов мирового производства, необходимого для удовлетворения его потребностей, не дают возможности остановить процесс глобального техногенеза. Но можно и необходимо разработать механизмы, позволяющие управлять этим процессом. Иными словами, вернуть биотехносферу в естественное состояние биосферы нельзя, но ее можно сделать управляемой системой, состояние которой искусственно регулируется. Подобное утверждение в настоящее время звучит фантастично. Но эту задачу необходимо выполнить. Альтернативой является продолжающаяся деградации планетарной экологической системы, ставящая под угрозу не только сохранение биоразнообразия Земли, но и существование самого человечества.

Многие современные экологи не хотят признавать по сути уже свершившегося перехода биосферы в новое состояние. Желание уйти от этой проблемы, разрушающей всю сложившуюся систему представлений, способствует приоритетному решению отдельных аспектов глобального техногенеза (например, разработке мер борьбы с парниковым эффектом). Но успешное решение частных вопросов невозможно без системного видения проблемы в целом. Так, основными источниками парниковых газов в случае жесткого контролирования их промышленных выбросов станут побочные продукты жизнедеятельности стремительно растущего народонаселения и ряд других неконтролируемых процессов (например, оттаивания зон многолетней мерзлоты). В этой ситуации сохранить благоприятные условия для существования многих видов организмов и жизнедеятельности людей на значительных участках окружающей среды можно лишь задействовав специальные инженерно-технические системы. Их работа может быть направлена как на прямое изъятие из атмосферы избытка парниковых газов, так и на нивелирование последствий гидрометеорологических аномалий (наводнений и засух), также порожденных развитием парникового эффекта.

Одним из главных препятствий на пути создания управляемой биотехносферы, помимо необходимости больших финансовых затрат, является преодоление в сознании ученых прочно укоренившегося стереотипа непререкаемой парадигмы сохранения естественной биосферы. Концепция управляемой биотехносферы противоречит подобному взгляду, поскольку она подразумевает не ограничение техногенеза окружающей среды, а, напротив, его углубление, сопровождающееся усилением роли техногенных факторов, с приданием им функции экологических регуляторов. Конечной целью в данном случае является создание глобальной системы инженерно-технических объектов, работа которой обеспечивает сохранение благоприятных условий для жизни людей и других живых организмов. В локальных масштабах подобный подход к решению экологических проблем уже практикуется достаточно широко. Даже многие заповедники, которые рассматриваются как уголки сохранившейся природы, в реальности представляют собой природно-технические системы. Их благополучное состояние - это результат мелиоративных, противопожарных и иных инженерно-технических мероприятий.

Разработка методов управления процессом глобального техногенеза предполагает комплексный анализ не только экологических, но и социально-демографических проблем, а также перспектив технологического развития нашей цивилизации. Только такой междисциплинарный подход к изучению предмета позволит реализовать на практике провозглашенный ООН принцип «устойчивого развития», суть которого заключается в развитии экологически ориентированного технологического прогресса.

Основными целями, которым авторы следовали при написании данной монографии, являлись:

- научное обоснование необходимости объективного исследования процесса формирования биотехносферы и разработки механизмов управления ее состоянием;

- исследование закономерностей процесса техногенеза основных компонентов планетарной экологической системы;

- разработка научных основ создания управляемых природно-технических систем с целью предотвращения негативных тенденций, порождаемых техногенезом окружающей среды;

- анализ возможных путей преодоления сопутствующих развитию биотехносферы различных кризисных явлений (глобального кризиса водопотребления и др.).

Книга предназначена для широкого круга специалистов различных областей. Ее материалы также могут быть использованы при подготовке занятий по таким учебным дисциплинам, как «Безопасность жизнедеятельности», «Экология и безопасность жизнедеятельности», «Инженерная экология», «Техногенная безопасность», «Техногенная безопасность», «Экология техносферы», «Геоэкология», «Экологическая безопасность процессов и производств», «Природообустройство и охрана окружающей среды» и др. Описание затронутых в монографии проблем потребовало введения некоторых новых понятий и уточнения определений многих употребляемых терминов. По этим причинам мы сочли целесообразным включить в монографию в качестве приложения словарь специальных терминов.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОТЕХНОСФЕРЫ

1.1 Биотехносфера как особое состояние биосферы

Несмотря на то, что в научной литературе термин «биотехносфера» уже получил достаточно широкое распространение, его общепринятого определения до сих пор не существует. Отсутствует и единое мнение о том, кто впервые ввел данное понятие. В ряде источников указывается, что оно было предложено академиком А.В. Сидоренко (Сидоренко, 1980), который использовал данный термин для обозначения переходного этапа от биосферы к ноосфере. В качестве характерной особенности этого периода он рассматривал сочетание стихийного и сознательного, отрицательного и положительного влияния деятельности человека на окружающую среду. Однако термин «биотехносфера» в несколько иной интерпретации использовался некоторыми авторами и ранее (Мауришь, 1974; Хильми, 1975).

В монографии биотехносфера рассматривается как продукт трансформации биосферы, структурно-функциональная организация которой претерпевает значимые изменения под совокупным воздействием различных видов технической деятельности человека. Процесс, приводящий к образованию биотехносферы, обозначается термином глобальный техногенез.

Несмотря на происходящие изменения, биотехносфера сохраняет свою целостность как единая система. Но состав формирующих ее элементов и характер их взаимосвязей все больше отличаются от существовавших в естественной биосфере.

Для описания процесса формирования биотехносферы необходимо уточнить некоторые понятия. Под структурно-функциональной организацией биотехносферы мы подразумеваем комплекс материальных тел (структурных элементов данной системы), связанных в единое целое вещественными и энергетическими потоками (функциональными связями). В состав структурных элементов биотехносферы входят все ранее существовавшие элементы биосферы, к которым добавляются различные техногенные объекты и техногенные образования.

Техногенные объекты являются продуктом целенаправленной технической деятельности человека, т.е. скоординированных усилий организованных групп людей, использующих для выполнения поставленных задач средства производства, созданные на основе опыта, накопленного в ходе исторического развития процесса производства материальных благ и научных достижений. Они, так же как и элементы биосферы естественного происхождения («тела», по терминологии В.И. Вернадского), представляют собой сложные конгломераты, в пределах которых почти всегда могут быть выделены в той или иной мере обособленные части. Техногенными объектами являются как промышленные зоны или мегаполисы в целом, так и составляющие их различные сооружения, их группы и комплексы.

Техногенные образования являются побочным продуктом технической деятельности. Их примерами могут служить терриконы или хвостохранилища, формирующиеся вблизи горнодобывающих и горнообогатительных предприятий, свалки строительных и иных отходов, окаймляющие крупные города, и т.п. Четкой границы между техногенными объектами и техногенными образованиями (как и между различными категориями естественных тел биосферы) не существует. Например, водохранилища ГЭС можно рассматривать и как техногенные образования (с точки зрения трансформации ландшафтной структуры), и в совокупности с гидротехническими сооружениями, через которые осуществляется сброс их вод, как техногенные объекты. Некоторые возникшие в прошлом техногенные образования со временем стали представлять интерес как источники ценного сырья. В настоящее время в нормативно-правовую бузу РФ уже официально включен термин «техногенные месторождения вторичных ресурсов» Пункт 3.2.6 ГОСТ Р 54098-2010 «Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения»., т.е. сформировавшиеся в результате хозяйственной деятельности техногенные образования, зарегистрированные как месторождения ценного сырья. На их базе могут быть созданы техногенные объекты по добыче и переработке сырья из подобных техногенных образований.

Включение в систему новых элементов неминуемо приводит к возникновению новых функциональных связей, обеспечивающих их взаимодействие между собой и ранее существовавшими элементами системы. Данный процесс происходит и при переходе биосферы в состояние биотехносферы. В потоках вещества и энергии все большую роль начинают играть техногенные объекты и техногенные образования. Например, если рассматривать происходящие в настоящий момент глобальные климатические изменения как последствие индустриальной деятельности, то современная атмосфера в определенном смысле уже является техногенным образованием, формирующимся под воздействием работы множества различных техногенных объектов. Развитие парникового эффекта сопровождается происходящим в планетарном масштабе перераспределением потоков тепловой энергии и вещества, что проявляется в аномальном изменении водности речных бассейнов, возникновением катастрофических засух и наводнений.

Процесс техногенеза биосферы развивался постепенно в течение длительного времени. Вначале изменению человеком подвергались лишь относительно небольшие (локальные) участки окружающей среды. Затем процессы техногенеза приобрели региональный характер (Суздалева, Горюнова, 2014а). Их масштаб неуклонно возрастал по мере развития человеческой цивилизации. Формально можно считать, что переход биосферы в состояние биотехносферы осуществился, когда совокупное значимое воздействие техногенных процессов достигло глобального масштаба. Однако точное установление этого момента затруднительно. Фиксация изменения параметров планетарной экологической системы в силу сложности ее структуры и многообразия элементов возможна только на этапе, когда эти изменения уже достигли значительного развития и их последствия очевидны.

Условно границей перехода биосферы в новое состояние можно считать момент необратимого изменения состава ее наиболее динамичного элемента - атмосферы, то есть момент возникновения устойчивого тренда концентрации так называемых парниковых газов. Вместе с тем следует учитывать, что одновременно в предшествующий исторический период техногенная трансформация происходила в нескольких направлениях под воздействием комплекса разнородных факторов, основные из которых перечислены в таблице 1.

Следует отметить, что биосфера на протяжении своего существования неоднократно переходила из одного состояния в другое, условия в которых существенно отличались. Так, палеоклиматологи, изучающие эволюцию климата Земли, пришли к заключению, что во время ее существования «термоэры», т.е. теплые периоды, характеризующиеся высоким содержанием СО2 в атмосфере, чередовались «криоэрами» (Чумаков, 1993). В один из таких «холодных» периодов, которые занимали менее четверти от общего времени существования биосферы, и возникла человеческая цивилизация. С этой точки зрения происходящее развитие парникового эффекта можно рассматривать как переход биосферы в состояние «термоэры». Оно также естественно, как предшествующее состояние, человеческая деятельность лишь спровоцировала этот переход. Очевидно, что подобная трактовка представляет значительное упрощение взгляда на происходящие глобальные процессы.

Таблица 1 Основные факторы и показатели техногенной трансформации биосферы Земли на протяжении ХХ века (Корчагин, Корчагина, 2012)

Данный пример приведен лишь как свидетельство того, что состояние биосферы, существовавшей в доиндустриальный период, не следует рассматривать как единственно возможное ее «нормальное» состояние, а его изменение - как необратимую деградацию данной системы.

Следует отметить, что биосфера на протяжении своего существования неоднократно переходила из одного состояния в другое, условия в которых существенно отличались. Так, палеоклиматологи, изучающие эволюцию климата Земли, пришли к заключению, что во время ее существования «термоэры», т.е. теплые периоды, характеризующиеся высоким содержанием СО2 в атмосфере, чередовались «криоэрами» (Чумаков, 1993). В один из таких «холодных» периодов, которые занимали менее четверти от общего времени существования биосферы, и возникла человеческая цивилизация. С этой точки зрения происходящее развитие парникового эффекта можно рассматривать как переход биосферы в состояние «термоэры». Оно также естественно, как предшествующее состояние, человеческая деятельность лишь спровоцировала этот переход. Очевидно, что подобная трактовка представляет значительное упрощение взгляда на происходящие глобальные процессы. Данный пример приведен лишь как свидетельство того, что состояние биосферы, существовавшей в доиндустриальный период, не следует рассматривать как единственно возможное ее «нормальное» состояние, а его изменение - как необратимую деградацию данной системы.

Перестройка структурно-функциональной организации биосферы всегда сопровождалась изменением условий, катастрофичным для многих видов организмов, вызывая резкое сокращение биоразнообразия. Подобные события, обозначаемые в палеонтологии как «массовые вымирания» и «глобальные биотические или экологические кризисы», происходили за время существования биосферы несколько десятков раз (Алексеев, 1989). Их причины были различны. Некоторые возникали вследствие катастрофических явлений - падения на Землю крупных метеоритов или резкой активизации вулканической деятельности (Альварес, Азаро, 1990; Алексеев и др., 1990; Куртийо, 1990). Это сопровождалось поступлением в атмосферу громадного количества аэрозолей, что вызывало явления, подобные «ядерной зиме» Не только широкой общественности, но в среде специалистов-экологов мало известен тот факт, что сценарий «ядерной зимы», как закономерного результата ядерных конфликтов, был смоделирован группой ведущих советских метеорологов именно на основе анализа геологических и палеонтологических материалов, характеризующих последствия падения на Землю в предшествующие эпохи крупных метеоритов (Будыко и др., 1986).. Динамика развития других носила более плавный характер. Ее причинами могли быть постепенные изменения глобального климата (Будыко, 1977), в т.ч. в и результате колебаний содержания в атмосфере углекислого газа. При этом массовые вымирания сопутствовали не только наступлению оледенений, характерных для криоэр. В периоды потепления климата среда обитания многих организмов также становилась непригодной для их существования. Так, характерное для термоэр усиление стратификации водной толщи морей приводило к развитию в их придонных слоях сероводородного заражения. Такая ситуация в современном мире сложилась, например, в Черном море. В его глубоких слоях в результате накопления сероводорода существование каких-либо высокоорганизованных форм жизни невозможно.

Вместе с тем разрушения биосферы как единой системы за всю историю ее существования ни разу не происходило. Наблюдался только переход этой системы из одного состояния в другое. Снизившееся в период массовых вымираний биоразнообразие через несколько миллионов лет вновь значительно повышалось за счет возникновения в процессе эволюции видов, приспособленных к существованию в новых условиях.

Очевидно, что описанный выше сценарий глобального экологического кризиса при переходе биосферы из одного ее состояния в другое для человечества неприемлем. Реакция общества на сообщение специалистов о том, что вскоре закономерно начнется очередное «массовое вымирание», при котором человек будет одним из возможных кандидатов «в вымершие виды», вполне прогнозируема. Предположение о том, что через миллионы лет на Земле расцветут новые, более совершенные, чем мы, формы жизни, никого не утешит.

Поэтому концепция управляемой биотехносферы как контролируемого перехода биосферы в новое состояние подразумевает, что на протяжении всего этого процесса на Земле будут сохраняться приемлемые условия для существования человека и большинства других населяющих ее организмов.

Идея о необходимости поиска механизмов управления процессом глобального техногенеза уже неоднократно ранее высказывалась рядом ведущих специалистов (Будыко, 1977; Израэль, 1984) и формулировалась в виде различных международных договоренностей, например, принятой ООН концепции «устойчивого развития». Но в настоящее время эта насущная задача еще далека от реального решения. Более того, в научном сообществе отсутствует четкое видение общего направления, в котором должна развиваться деятельность, способная дать ощутимые результаты. Дефицит продуктивных идей нередко подменяется выдвижением различных декларативных заявлений или распылением сил на решение частных задач.

По этим причинам главными задачами монографии являлись обобщение имеющегося опыта эффективного управления процессами техногенеза, а также анализ возможностей этой деятельности и обоснование необходимости ее дальнейшего развития.

1.2 Биотехносфера, ноосфера и техносфера

Чтобы избежать неясностей при последующем изложении материалов монографии, рассмотрим вкратце содержание, предназначение и использование этих терминов. Прежде всего, следует отметить, что смысл, вкладываемый в понятие «биотехносфера», вне зависимости от использовавших его авторов В научной литературе в настоящее время высказываются различные мнения о том, кто впервые ввел термин «биотехносфера». Мотивацией во всех случаях являлось желание дистанцировать реально наблюдаемую картину техногенеза биосферы от понятия ноосферы, в основе которого лежит сугубо позитивный характер воздействия на нее человеческой деятельности., изначально был принципиально отличен от утопической «ноосферы» В.И. Вернадского (2012). С экологической точки зрения возникновение биотехносферы - явление в существующих условиях неизбежное, но вместе с тем нежелательное. Так же как неизбежна и нежелательна урбанизация, охватывающая все новые и новые участки окружающей среды по мере роста народонаселения планеты.

Попытка Н.Ф. Тютюновой (1987) объединить концепции биотехносферы и ноосферы, на наш взгляд, излишне идеализирована и далека от реально наблюдающихся тенденций развития человечества. По ее мнению, биотехносфера является лишь первым этапом перехода от существующей действительности, отражающей социально-экономические реалии, к миру, развитие которого будет управляться научной мыслью. Предложенная ею схема включает следующие, последовательно сменяющие друг друга, стадии развития:

- стадия биотехносферы, для которой характерно сочетание стихийного и сознательного, отрицательного и положительного влияния деятельности человека на окружающую среду; этот этап в конце ХХ века, по мнению автора, уже был близок к завершению;

- стадия ноотехносферы, которая наступит, когда геологическая деятельность человека будет всецело направляться и контролироваться достижениями научно-технической мысли; «научная мысль станет планетным явлением в полном смысле этого слова»;

- стадия ноокосмосферы - научная мысль становиться «космическим явлением».

Однако, как свидетельствует история человечества, «достижения научно-технической мысли» сами по себе никогда не контролировали развития цивилизации, хотя и являлись важнейшим фактором данного процесса. Освоение ресурсов Нового Света началось не в тот момент, когда это стало технически возможным, а когда появилась острая необходимость освоения новых путей в Индии для вывоза пряностей. Точно также реальное управление биотехносферой станет возможным не тогда, когда необходимость этого шага будет осознана специалистами (это уже произошло), а когда будут разработаны механизмы управления данным процессом, соответствующие потребностям социально-экономического и политического развития общества.

Биотехносфера, в отличие от ноосферы, не является результатом целенаправленной перестройки биосферы «в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого». Определяющая роль в ее развитии принадлежит обширному комплексу экономических и демографических (геополитических) факторов. Их совокупное воздействие и определяет направление и динамику техногенной трансформации биосферы. Но количество субъектов этого воздействия крайне велико, а преследуемые ими интересы могут существенно отличаться.

Потенциально процессы развития мирового производства, урбанизации и демографии управляемы. Следовательно, существует и реальная возможность разработки механизмов управления биотехносферой. Но решение этой задачи путем разработки различных директив даже самого высокого уровня пока не дало желаемых результатов. Примером может служить провозглашенная ООН концепция устойчивого развития (Марфенин, 2006). Ее базовым принципом является развитие производства с учетом не только экономических, но и экологических интересов будущих поколений. Несмотря на то, что серьезных возражений по поводу этой идеи никем не выдвигалось, ее реальное воплощение носит в основном пропагандистский характер и касается частных проблем. Например, снабжение развивающихся стран возобновляемыми источниками электроэнергии пока не способно решить проблемы их экономического развития. Многие из них, получая практически бесплатно ветровые и солнечные энергоустановки, не отказываются от строительства атомных электростанций.

Авторы монографии придерживаются мнения, что достичь желаемых результатов в этой области можно на основе не спускаемых сверху директив, а путем постепенного построения иерархии управляемых участков биотехносферы - природно-технических систем (ПТС), создание которых может принести ощутимую социально-экономическую выгоду. Данный вопрос более подробно будет рассмотрен во II-ой главе монографии. Сейчас только отметим, что экологические условия в них регулируются инженерно-техническими устройствами и системами. То есть в определенной мере создание ПТС можно рассматривать как углубление процессов техногенеза. Но задачей подобного техногенеза окружающей среды является предотвращение деградации и охрана ее уцелевших природных компонентов (Суздалева, Горюнова, 2014а; Суздалева, 2016а). Подобный подход к разработке природоохранных мер принципиально отличен от традиционного, базирующегося на защите окружающей среды от любых форм ее техногенной трансформации. По этой причине для обозначения данной методологии нами был предложен термин «альтернативная стратегия охраны окружающей среды» (Федоров, Суздалева, 2014а; Суздалева, Горюнова, 2015). На наш взгляд, это единственная реальная возможность воспрепятствовать дальнейшей экологической деградации биотехносферы, закономерно приводящей ее в коллапсирующее состояние, для обозначения которого Г.А. Заварзиным (2011) было введено понятие «какосфера».

Термин биотехносфера необходимо также четко отграничивать от понятия «техносфера», под которым подразумевается совокупность техногенных объектов и участков, подвергшихся коренному преобразованию в процессе производственной деятельности. Весьма распространено упрощенное представление о техносфере как об обособленной части биосферы. Но, как и в любой другой системе, в биосфере не может быть элементов, не испытывающих оказываемых на нее воздействий. Поэтому термин «техносфера» отражает не разделение биосферы на два сосуществующих состояния («техносферу» и «собственно биосферу»), а лишь неравномерность техногенеза окружающей среды. Как будет показано в последующих разделах монографии, влияние технической деятельности человека уже приобрело глобальный характер. В биотехносфере могут существовать только участки, претерпевшие в ходе техногенеза значительные изменения, и участки, на которых воздействие этого процесса внешне еще малозаметно. Вместе с тем, употребление термина «техносфера», несомненно, целесообразно для обозначения участков, преимущественно занятых техническими объектами. Характер среды и методы проведения экологических исследований имеют здесь определенную специфику.

Но выделение техносферы как отдельного предмета изучения не следует воспринимать как возможность заключить эту область в определенные границы (например, усиливая контроль за промышленными сбросами и выбросами) и, таким образом, попытаться изолировать ее от остальной биосферы.

Следует обратить внимание еще на одну особенность образований, в совокупности обозначаемых термином «техносфера». На Земле не существует сколько-нибудь крупных инженерно-технических объектов, в которых не присутствовали бы компоненты природной среды. Это и воздух, которым дышат люди, работающие на производстве, и который образуется за пределами этих объектов в ходе биологических процессов. Это и вода, забираемая в техносферу из водных объектов, лежащих за ее пределами, и используемая, как и атмосферный воздух, во многих технологических процессах. Кроме того, техносфера активно заселяется отдельными видами организмов, которые находят в ней лучшие условия для своего развития, чем в природной среде (отсутствие хищников, обилие подходящей пищи). Развиваясь в массовом количестве, эти виды создают серьезные затруднения в работе различных инженерно-технических объектов и в совокупности обозначаются термином «биопомехи» (Суздалева и др., 2004). Некоторые организмы обладают способностью разрушать и изменять свойства искусственно создаваемых материалов. Для описания этих процессов используется понятие «биоповреждения».

Инженерно-технические объекты и живущие в них организмы, которые в совокупности можно обозначить термином «техноценоз», вместе образуют динамичную систему. Изменение режима работы, конструкции или физико-химических условий ее техногенного элемента неизменно влечет ответную реакцию ее же биологического элемента. В ряде случаев изменение параметров этой системы (развитие биологического элемента) создает угрозу возникновения техногенной катастрофы (Горюнова и др., 2002). Примером может служить зарастание различными организмами водоводов систем технического водоснабжения АЭС. Возникающее в результате развития «биообрастания» сокращение подачи воды может привести к перегреву атомного ректора и его разрушению. Таким образом, в реальности техносфера состоит не из техногенных объектов, как это трактуется в определениях данного понятия (Реймерс, 1990; Данилов-Данильян и др., 2002), а представляет собой совокупность природно-технических систем. Их особенностью является превалирование техногенного элемента над биологическим. При этом необходимо отметить, что это скорее субъективная точка зрения, с которой рассматривается система, не отражающая функциональной значимости составляющих ее элементов. В приведенном выше примере возникновение мощных биообрастаний в водоводах АЭС - не менее важный фактор, чем сбой в работе, обусловленный чисто технической неисправностью.

С нашей точки зрения, техносфера представляет собой часть биотехносферы, в которой процессы техногенеза окружающей среды и вызванная ими ее деградация достигли своего наивысшего развития. Но слагающие ее природно-технические системы существуют не изолированно от окружающей среды, а являются одним из ее компонентов. Они функционально связаны с другими природно-техническими системами, лежащими за пределами техносферы, в качестве границ которой нередко рассматривают границы урбанизированных территорий или промышленных зон. Например, водоток, истоки которого расположены на таком участке, может в дальнейшем, протекая через территорию, покрытую растительностью, входить в состав природно-технической системы, используемой в качестве места массового отдыха - «резорта» (Суздалева и др., 2012). Проведенные исследования показали, что подобные резорты могут формироваться даже на берегах открытых участков ливневой канализации.

Таким образом, граница между техносферой и биотехносферой носит весьма условный характер, а к изучению слагающих их природно-технических систем применимы одни и те же методологические принципы.

1.3 Формирование биотехносферы и мировые социально-экологические кризисы

В обобщенной форме кризис можно определить как период или состояние, при котором факторы, ранее обеспечивавшие относительную стабильность ситуации, уже неспособны выполнять свою задачи. Социально-экологический кризис - это возникновение в обществе кризисной ситуации, порожденной негативными изменениями окружающей среды или исчерпанием ее ресурсов.

Формирование биотехносферы сопровождается развитием нескольких подобных кризисов, способных дестабилизировать социальную обстановку в обширных регионах нашей планеты. В поисках выхода из кризисных ситуаций в обществе назревают острые конфликты, в ряде случаев способные перейти в вооруженные столкновения.

При этом следует подчеркнуть, что сама по себе техногенная трансформация биосферы, хотя и оказывает весьма существенное влияние на их развитие, но не является их причиной. Главный фактор возникновения мировых социально-экологических кризисов - дисбаланс между ростом народонаселения и количеством ресурсов окружающей среды, необходимых для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей. Перечислим основные их них:

Мировой кризис перенаселения обусловливается избытком населения по отношению к средствам существования. На современном этапе его решение невозможно без расширения пространства, пригодного для существования человека, т.е. урбанизации все новых участков окружающей среды, ранее занятых природными экосистемами.

Мировой продовольственный кризис заключается в нехватке пищевых продуктов. Уже сейчас значительная часть населения планеты испытывает недостаток необходимых продуктов питания. Данный кризис порождает агфляцию (аграрную инфляцию), заключающуюся в опережающем росте цен на сельскохозяйственную продукцию по сравнению с общим ростом цен и доходами населения (Никонов, 2009). Агфляция усиливает социальную напряженность и в регионах, население которых не испытывает голода. Для решения мирового продовольственного кризиса необходимы принципиальные изменения в характере мирового землепользования. В частности, это сельскохозяйственное освоение новых районов (пустынь и др.), ранее не пригодных для этой деятельности, на основе создания крупномасштабных инженерно-технических систем (ирригационных и др.). Это ни что иное, как усиление процесса трансформации биосферы в форме так называемого «аграрного техногенеза» (Суздалева, Горюнова, 2014а) обширных участков окружающей среды.

Мировой кризис водопотребления - постоянно возрастающая нехватка ресурсов пригодной для употребления пресной воды. Согласно статистическим данным ООН, в настоящее время в условиях острого водного дефицита существует около 1,1 млрд человек, и, кроме того, еще приблизительно 1 млрд человек находится в состоянии так называемого «водного стресса», т.е. испытывает дефицит воды время от времени (Данилов-Данильян, 2009). Данные явления имеют хорошо выраженную тенденцию к росту и к середине XXI века в условиях водного дефицита будет жить 40% населения Земли, т.е. 4 - 5 млрд человек. Решение мирового кризиса водопотребления также невозможно без дальнейшей техногенной трансформации биосферы, прежде всего, без строительства инженерно-технических систем по перераспределению ресурсов пресных вод (Суздалева, Горюнова, 2014б; Суздалева, 2015а).

Таким образом, с одной стороны, развитие всех мировых социально-экологических кризисов является мощным фактором техногенной трансформации биосферы, с другой стороны, их приемлемое решение может быть найдено только на основе разработки механизмов управления формирования биотехносферы. Неуправляемое усиление и глобализация техногенеза, даже в случае достижения локальных кратковременных успехов при попытках разрешения кризисов иными путями, в долгосрочной перспективе приведут лишь к углублению социально-экологических кризисов в результате неконтролируемой деградации планетарной экосистемы Эти вопросы рассматриваются в III-VII главах монографии.. По этой причине создание управляемой биотехносферы - это непременное условие дальнейшего развития нашей цивилизации.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ УПРАВЛЯЕМОЙ БИОТЕХНОСФЕРЫ

2.1 Природно-технические системы как структурный элемент биотехносферы

Природно-техническая система (ПТС) - это любая совокупность природных, природно-техногенных и техногенных объектов, состояние и функционирование которых взаимосвязаны и/или взаимозависимы (Суздалева, Горюнова, 2014а; Суздалева, 2016). Такие системы возникают везде, состояние окружающей среды начинает зависеть от технической деятельности человека. Но это не просто вторжение чужеродных объектов в природную среду, приводящее к ее деградации. Возникают и обратные связи, обусловленные тем, что работа инженерно-технического объекта зависит от свойств внешней среды Так, согласно п. 2.5. ГОСТ Р ИСО 14015-2007, «окружающая среда предприятия - это внешняя среда, в которой функционирует организация, включая воздух, воду, землю, природные ресурсы, флору, фауну, человека и их взаимоотношения»., в которой он эксплуатируется. Важнейшую роль играют формирующиеся вокруг него экологические условия. Так, наносимый промышленным объектом экологический ущерб и затраты по его компенсации в современном мире являются одними из важнейших факторов, определяющими его экономические показатели и инвестиционную привлекательность. Спрос на многие виды продукции, произведенные в экологически неблагополучных районах, катастрофически снижается. Кроме того, персонал объектов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду, как правило, сам в наибольшей степени испытывает отрицательные последствия данного воздействия. Люди, работающие на производстве, заинтересованы в сохранении природных объектов в районах их проживания. Таким образом, современная техническая деятельность человека приводит не к одностороннему воздействию на природу в процессе производства необходимой ему продукции, а к возникновению ПТС. При этом системное единство технических объектов и окружающей их среды усиливается по мере роста объемов мирового производства и народонаселения, закономерно влекущего за собой возникновение дефицита благоприятных экологических условий. Под этим понятием мы подразумеваем сокращение участков Земли, где человек не подвергался бы негативному воздействию своей же деятельности, способному вызвать ухудшение его здоровья и здоровье его потомства. Сейчас в неблагоприятных экологических условиях живет уже значительная часть человечества. Устойчиво снижать темпы роста производства, как и роста численности человечества, в настоящее время нереально. Следовательно, предотвратить дальнейшее увеличение дефицита благоприятных экологических условий можно только контролируя процесс образования и функционирования ПТС, для чего необходимого его тщательное изучение. Именно эта идея, заключающаяся в необходимости сопряженного взаимоучета экономических и экологических последствий развития производства, заложена в принятой ООН концепции «устойчивого развития» (Федоров, Суздалева, 2014б).

Как уже указывалось в ГЛАВЕ I, процесс превращения биосферы в биотехносферу сопровождается внедрением в нее новых структурных элементов (техногенных объектов и техногенных образований), объединенных функциональными связями. Эти связи представляют собой сформировавшиеся под воздействием технической деятельности человека потоки вещества и энергии, распространяющиеся по всей системе. Благодаря этому воздействие техногенеза в той или иной мере испытывают все элементы, входившие в ранее существовавшую биосферу. Однако степень их техногенной трансформации различна. Наряду с природно-техническими системами, которые можно рассматривать как возникшие в ходе техногенеза новые системы, существуют естественные экосистемы, структурно-функциональная организация которых еще не претерпела принципиальных изменений. Вместе с тем, они также постепенно трансформируются в процессе глобального техногенеза и по этой причине для их обозначение целесообразно использовать термин «сохранившиеся экосистемы».

Основной структурной единицей ранее существовавшей биосферы на всех этапах ее естественной эволюции являлась экосистема, т.е. система, состоящая из взаимосвязанных биотических и абиотических элементов, объединенных потоками вещества и энергии. Возникшая на современном этапе биотехносфера состоит из «сохранившихся экосистем» и различного вида ПТС. При этом в глобальном масштабе наблюдается устойчивый тренд усиления техногенной трансформации сохранившихся экосистем. Можно прогнозировать, что в будущем термин «сохранившиеся экосистемы» приобретет имиджевый характер. Под ними будут пониматься специализированные ПТС, в которых совокупность природных компонентов используется в рекреационных целях или как резерват биологических объектов. Условия в них будут формироваться не в ходе естественных процессов, а в результате работы экологических регуляторов. И прообразом уже сейчас стали многие национальные парки и заповедники в развитых странах, которые представляют собой подобные ПТС. Благоприятные экологические условия в них поддерживаются благодаря функционированию инженерно-технических систем и постоянным проведением разного рода мероприятий с использованием различных технических средств.

Рассматривая общую тенденцию формирования биотехносферы, следует подчеркнуть, что глобальные масштабы происходящих процессов отнюдь не подразумевают снижения значимости природных компонентов ПТС. Напротив, по мере углубления техногенеза окружающей среды их роль неуклонно возрастает. Все более актуальной становится и задача сохранения в ПТС благоприятных условий не только для жизни человека, но и других организмов. Иной, техногенно не трансформированной среды обитания просто не останется. Уже в обозримом будущем биоразнообразие нашей планеты будет биоразнообразием ПТС. Авторы монографии сознают, что такое суждение неминуемо вызовет протест у большинства экологов. Еще более эмоциональную реакцию можно ожидать от неспециалистов, в т.ч. занимающихся политической деятельностью, связанной с решением экологических проблем. Но уже сейчас настал тот момент, когда необходимо, преодолев сложившиеся стереотипы мышления, непредвзято подойти к оценке складывающейся ситуации. Только это позволит принять действенные меры по сохранению биоразнообразия, нацеленные на длительную перспективу, а не на сиюминутный эффект.