«н.и. николайкин Высшее образование Н.Е. НИКОЛАЙКИНА э О.П. МЕЛЕХОВА ...»
-- [ Страница 5 ] --
В 1922 г. российский ученый А. А. Фридман (1888—1925) по казал, что болыпинство решений уравнений А. Эйнштейна для мира в целом — нестационарны, зависят от времени, что наи более естественное следствие уравнений тяготения есть расши рение либо сжатие Вселенной. Позже был установлен факт по стоянного расширения.
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) наблюдениями доказал, что скорости движения удаленных га лактик направлены от нас. Более того, чем дальше расположе на галактика, тем быстрее она убегает.
Закон Э. Хаббла гласит:
282 Глава 7. БИОСФЕРА I I Скорости галактик пропорциональны расстояниям до I них.
Самые далекие из обнаруженных галактик удаляются со скоростью, близкой к скорости света.
К концу XX в. сформировалась и развилась научная теория возникновения Вселенной, объединившая научные достиже ния, полученные при разработке ряда гипотез, в том числе большого взрыва, стационарного состояния и рождения в чер ной дыре. Она разработана космологами на основе последних достижений физики и признана современным научным ми ром, включая Российскую академию наук (РАН). В этой сфере знаний никакие измышления не приемлемы, все космологиче ские теории проверяются точнейшими астрономическими на блюдениями, а не подтвердившиеся экспериментом — отверга ются.
В соответствии с выводами, сделанными на основании ис следований математических моделей, описывающих основные свойства Вселенной и подтвержденных наблюдениями, карти на ее образования и эволюции на ранней стадии представляет ся следующей 2.
Вначале весь мир был «сжат в точку» размером 10~ 3 2 мм (на 20 порядков меньше размера атомного ядра) и с плотно стью 1 0 9 3 г/см 3 ;
при этом полная масса материи составляла всего 1 0 ~ 5 — Ю - 6 г. В середине 60-х годов XX в. Э. Глиннер предположил, что это было так называемое вакуумное с о с т о я н и е материи, для которого характерно огромное от рицательное давление. По абсолютной величине оно равно плотности энергии, т. е. произведению плотности материи на квадрат скорости света, но со знаком «минус». Модель отрица тельного давления — это натяжение, существующее, напри мер, в растянутой резине.
Материя вместо притяжения, традиционного для нормаль ных условий, находясь в вакуумном состоянии, создает грави тационное отталкивание подобно тому, как между одноимен ными электрическими зарядами возникает электростатиче Космология — наука, занимающаяся проблемой происхождения Вселенной.
Картина ранней Вселенной излагается в соответствии с опублико ванным текстом доклада, сделанного одним.из ведущих отечественных космологов чл.-корр. РАН И. Д. Новиковым на заседании Президиума РАН в 2001 г.
7.4. Эволюция — история жизни ское отталкивание. Это гравитационное отталкивание, по современным общепризнанным представлениям, и послужило причиной чрезвычайно мощного «первотолчка», ранее припи сывавшегося «большому взрыву».
Через Ю - 4 3 с после рождения Вселенной (рис. 7.26) вслед ствие «первотолчка» материя получила начальные скорости и Вселенная начала расширяться с постоянным ускорением, так как сила гравитационного отталкивания продолжала действо вать. Экспоненциально быстрое расширение современными космологами названо инфляцией, а соответствующий интервал времени — инфляционной стадией развития Вселенной.
Объем Вселенной увеличивался, а плотность фактически не менялась, она уменьшалась чрезвычайно медленно. В ре зультате масса материи во Вселенной возрастала, причем с но вой массой рождалось новое тяготение этой массы. Рождаю щаяся отрицательная энергия гравитации компенсировала по ложительную энергию материи, и в сумме закон сохранения энергии соблюдался.
Вакуумная материя (инфлантон) неустойчива, через нич тожно малый промежуток времени (10~ 3 6 с) она распалась квантовым образом и превратилась в горячую плазму — обыч ную материю. Таков был квантовый процесс рождения нашей Сегодня Образование галактик Рекомбинация Синтез легких химических элементов Начало горячей Вселенной Конец инфляции Начало инфляции Рис. 7.26. Основные этапы истории горячей Вселенной с учетом периода инфляции (по И. Д. Новикову) 284 Глава 7. БИОСФЕРА горячей Вселенной. Через минуту с начала расширения темпе ратура горячей материи упала до 1 млрд К, начался синтез легких химических элементов.
Первичный нуклеосинтез продолжался около 3 мин. За это время элементарные частицы уже достаточно долго удер живались друг около друга, что привело к синтезу ядра водо рода, дейтерия, гелия, лития и бериллия. После взаимных превращений остались ядра водорода (около 80% масс), гелия (до 20% масс) и остальные элементы в ничтожно малом коли честве — около 0,01% всего вещества. Тяжелые химические элементы во Вселенной появились существенно позже в звез дах.
На ранней стадии расширения Вселенной ее характер пол ностью определялся излучением, так как плотность энергии излучения тогда была больше плотности энергии обычных час тиц вещества. Начальный этап принято называть радиаци онной стадией эволюции Вселенной. Температура вещества и излучения на этой стадии были одинаковы. Однако в опре деленный момент (примерно через 300 тыс. лет после начала образования Вселенной и при температуре 3—4 тыс. К) все радикально изменилось. Радиационная стадия сменилась ста дией вещества. Этот переход принято называть рекомбина цией.
После эпохи нуклеосинтеза образование Вселенной замед лилось, и до момента рекомбинации происходило спокойное расширение, при котором вещество Вселенной остыло до не скольких тысяч градусов Цельсия. По законам атомной физи ки при снижении температуры до таких значений начинается объединение (рекомбинация) электронов, бывших ранее сво бодными частицами, с протонами и ядрами гелия. На стадии развития Вселенной из элементарных частиц и ядер началось образование атомов стабильных газов, преимущественно водо рода и гелия.
С момента рекомбинации вещество начало эволюциониро вать самостоятельно, независимо от излучения. Сразу после рекомбинации оно было рассеяно во Вселенной практически равномерно. Не было ни звезд, ни галактик, ни иных космиче ских объектов. Причиной дальнейших процессов объединения вещества явилась сила гравитации. Даже самые, казалось бы, незначительные различия в плотности вызывали различное притяжение. Вследствие этого более плотные образования по степенно становились еще более плотными, а области относи тельно пониженной плотности — все более разреженными. Та 7.4. Эволюция — история жизни ким образом, изначально почти однородная среда с течением времени разделилась на отдельные «облака», из которых через сотни миллионов лет после начала расширения сформирова лись первые звезды и галактики 1.
Квантовый процесс рождения нашей Вселенной привел к разогреву вещества до очень больших температур. При рас ширении эта температура падала, а с ней изменялось и излуче ние, равномерно заполнившее всю Вселенную. Первичный свет (слабое электромагнитное излучение), называемое «ре ликтовым излучением», существует и сегодня. Не видимое глазу, оно приходит со всех сторон и регистрируется современ ными телескопами. Это явление было открыто 2 в 1965 г., тогда же установлено, что температура космического пространства в наше время равна 3 К.
В рамках существующих математических моделей допус тимо говорить о «возрасте» или «времени жизни» нашей Все ленной как о времени, прошедшем с момента существования бесконечно большой плотности.
Естественный вопрос о том, что же было в эпоху «самого начала», т. е. до инфляции Вселенной, пока не имеет ни теоре тически, ни экспериментально подтвержденного ответа, одна ко существуют предварительные заключения. В самый на чальный период эволюции промежуток времени менее 10~ 4 3 с и размеры Вселенной менее 10~ 3 2 мм соответственно не могли быть непрерывным временем и непрерывным пространством.
Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все это, по выражению И. Д. Новикова, находилось в состоянии «кипения вакуума» при чрезвычайно большой его плотнос ти — 1 0 9 3 г/см 3. В этом состоянии пространство (его размер ность и топология) менялись самым причудливым образом — квантовым.
Вследствие квантовых флуктуации (от лат. fluctuatio — колебание, случайное отклонение величины от ее среднего зна чения) в различные моменты времени «кипящий вакуум» слу чайным образом превращается в отдельные пузыри раздуваю щихся вселенных, каждая из которых подобна нашей Вселен ной, однако, возможно, с иными физическими свойствами и иным развитием. Затем возможен коллапс отдельных пузы Достоверно установлено, что самые старые звезды различных га лактик имеют практически одинаковый возраст — около 15 млрд лет.
В 1978 г. за это открытие была присуждена Нобелевская премия.
286 Глава 7. БИОСФЕРА рей, и они снова переходят в квантовое кипение. И даже без коллапса за громадные промежутки времени отдельные все ленные рано или поздно перейдут в квантовое состояние.
Эта картина не имеет ни границ, ни пределов. Имеет место вечное кипение, вечное рождение новых вселенных и вечное их умирание. Следовательно, I наша Вселенная вечна, она — один из «пузырьков» I [ в Сверхвселенной, конца эволюции Вселенной нет.
Такую картину мироздания дает нам современная космо логия, радикально меняющая существовавшую философскую концепцию. Из нее, в частности, следует, что наша Вселенная не одна, вселенных много. При этом у человечества появляется возможность исследовать их не только умозрительно, но и экс периментально. С этой целью в начале XXI в. планируется се рия уникальных научных экспериментов, в том числе:
• эксперимент «Космологический ген», с использованием отечественного радиотелескопа РАТАН-600 с зеркалом диаметром 600 м, остающегося самым крупным в мире рефлекторным телескопом;
• эксперимент «Планк», предполагающий использова ние отечественного спутника, запуск которого планиру ется на 2007 г. После него должна быть точно установ лена топология нашей Вселенной;
• эксперименты НАСА, основанные на применении вы сотных баллонов, летающих в Антарктике и Арктике, где дуют широтные ветры.
К сожалению, выйти за границы нашего «пузыря», нашей Вселенной для исследования других вселенных не косвенно (расчетным путем), а непосредственно (экспериментально) да же в будущем невозможно. Дело в том, что границы каждого «пузыря» расширяются со скоростью, большей скорости света, т. е. границы нашей Вселенной удаляются быстрее любого сиг нала, который человек может послать к ним.
Современное знание о строении и эволюции Вселенной на ходится на этапе бурного роста, новых идей и важнейших от крытий. Окончательных выводов наука еще не сделала, мно гое впереди.
7.4. Эволюция — история жизни 7.4.1.2. Звезды, Солнце Выбрасывание газа в пространство с поверхности звезд, особенно горячих и вспыхивающих как новые, происходило постоянно и происходит в наше время. Этот газ при благопри ятных условиях может сгущаться в пылинки или подвергать ся дальнейшим превращениям. Существуют облака пыли и га за, возникшие давным-давно и только что. В 1945—1947 гг. на основе исследований советскими учеными сделан вывод о том, что звезды имеют разный возраст, следовательно, они могут возникать и в наше время. Ближайшие к Земле области звез дообразования — это темные облака в созвездиях Тельца и Змееносца. Несколько дальше расположен огромный комп лекс облаков в Орионе.
Диапазон масс новорожденных звезд составляет от не скольких сотых долей до 100 масс Солнца, причем маленькие звезды рождаются чаще крупных. В нашей Галактике в сред нем ежегодно рождается примерно десяток звезд различного размера с общей массой около пяти масс Солнцам Установлено, что нормальная плотность газа в межзвезд ном пространстве Галактики составляет примерно один атом водорода в 10 см 3, тогда как в подобных газопылевых облаках плотность достигает 10 000 атомов на тот же объем 1.
Межзвездные облака обычно медленно вращаются и нахо дятся в состоянии, близком к равновесию. Если же облако ста новится достаточно большим и плотным, то оно неустойчиво:
преобладающей силой в нем становится тяготение, и облако начинает сжиматься. Теоретически показано, что сжатие под действием собственной массы начинается при массе облака, в 10—20 тыс. раз превышающей массу Солнца и плотности ве щества облака более 20 атомов/см 3.
Самопроизвольное гравитационное сжатие облака — гра витационный коллапс 2 — приводит к образованию сгущения, включающего до 99% всей массы первичного облака и имею щего плотность вещества звезд. Одновременно растет темпера тура, тепловое движение атомов ускоряется, при столкнове нии атомов появляется тенденция к их слиянию. Начинаются термоядерные реакции, в результате которых водород превра щается в гелий и выделяется огромное количество теплоты.
При нормальных условиях в атмосфере Земли в 10 с м 3 содержится 2, 7 - 1 0 2 0 атомов.
Не путать с медицинским значением термина «коллапс», приве денным в разд. 1.3.1.
288 Глава 7. БИОСФЕРА По современным понятиям эволюция звезд протекает в два этапа. Сначала из дозвездного вещества, состоящего по массе на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия, образуются з в е з д ы п е р в о г о п о к о л е н и я. Это массивные звезды с быстрым течением протонных реакций. После того как в центре звезды резко снижается содержание водорода, она сжимается, давле ние и температура в ней резко возрастают и начинает «гореть» гелий — возникает критический момент в истории звезды.
Если масса звезды была достаточно большой, то реакции синтеза тяжелых ядер из ядер легких элементов происходят взрывообразно, т. е. вещество разогревается до температур в сотни миллионов градусов, при которых протекают энергети чески невыгодные реакции синтеза тяжелых элементов, а сама звезда взрывается и вещество рассеивается во Вселенной.
После взрыва звезды первого поколения вещество, обога щенное малыми примесями практически всех химических элементов, может снова под действием гравитационного при тяжения собраться в звезды. Это и есть з в е з д ы в т о р о г о п о к о л е н и я. К ним относится и наше Солнце.
Взрыв звезды первого поколения, выбросившей вещество, из которого образовалась наша Солнечная система, произошел около 5 млрд лет назад. Большинство звезд нашей Галакти ки, как и Солнце, — звезды второго поколения. Однако во Все ленной имеются и водородно-гелиевые звезды, не успевшие еще в своем развитии дойти до взрыва;
взрыв звезды — собы тие редкое.
Значительно чаще наблюдаются вспышки звезд. Так, иногда какая-нибудь малозаметная звезда внезапно, за неде ли, увеличивает свою светимость в миллионы раз и становит ся очень яркой, после чего она медленно, за месяцы, возвраща ется к более или менее первоначальному состоянию. Такую звезду принято называть новой, а само явление — вспышкой новой.
Реже наблюдаются еще более грандиозные явления, назы ваемые вспышками сверхновых звезд. В нашей Галактике по следние замеченные вспышки сверхновых звезд были зареги стрированы астрономами в 1054, 1572 и 1604 гг. (в указанные годы до Земли дошел свет от тех грандиозных событий). После взрыва сверхновой звезды светимость также быстро падает, но и она уже теряет прежний облик. На месте вспыхнувшей звез ды остается быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсар, а остальное вещество с большой скоростью разлетается от него.
7.4. Эволюция — история жизни Нейтронные звезды с диаметром всего около 10 км по своей массе близки к Солнцу, которое имеет диаметр 1400 тыс. км.
Их гравитационное поле столь велико, что вдавливает элект роны всех атомов в их ядра и протоны ядер превращаются в нейтроны. Однако считается, что нашему светилу такая перс пектива не грозит.
Солнце в общей структуре Вселенной принадлежит к га лактике «Млечный Путь» — громадному скоплению звезд, ви димому на небе как светлая туманная полоса. Наша Галактика имеет конечные размеры. Диаметр галактического диска со ставляет около 100 000 световых лет, толщина — 1000 свето вых лет. Внешне она напоминает чечевичное зерно с утолще нием посередине. Из-за того что Солнечная система находится практически в плоскости Млечного Пути, заполненного мате рией, поглощающей излучения, очень многие детали строения Галактики скрыты от земного наблюдателя.
Внешняя часть Галактики вращается очень медленно, а внутренний галактический диск — быстро, причем скорость его вращения не одинакова на разных расстояниях от центра.
Она изменяется от нуля до 200—240 км/с. Масса диска — 150 млрд масс Солнца. В среднем химический состав звезд и газа в диске почти такой же, как у Солнца. Основной хими ческий элемент в Галактике — водород. Другой, наиболее рас пространенный элемент, — это гелий, составляющий около од ной четверти нашей Галактики.
Одна из самых интересных областей Млечного Пути — яд ро, для которого характерна очень высокая концентрация звезд. Расстояние между ними в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца. В самом центре Галактики предпо лагается существование массивного компактного объекта — черной дыры массой около миллиона масс Солнца. Также там находится яркий радиоисточник «Стрелец А».
Наиболее заметными образованиями в диске нашей Галак тики являются спиральные ветви (или рукава), из-за наличия которых она относится к «спиральным» галактикам (рис. 7.27).
Вдоль рукавов в основном сосредоточены самые молодые звез ды, многие звездные скопления и ассоциации, а также цепоч ки плотных облаков межзвездного газа, в которых продолжа ется образование новых звезд. В спиральных ветвях находится больше всего переменных и вспыхивающих звезд, где чаще всего наблюдаются взрывы сверхновых. В ветвях продолжает ся бурная «жизнь», связанная с переходом вещества из меж 10 Экология 290 Глава 7. БИОСФЕРА Рис. 7.27. Спиральная структура Галактики «Млечный Путь»: 1 — глав ный рукав;
2 — внутренний рукав;
3 — промежуточный рукав;
4 — внешний рукав;
• — оптические наблюдения;
• — радионаблюдения;
кпк — килопарсек (1 пк = 3,26 световых лет 3,086 • 1 0 1 6 м) звездного пространства в звезды и обратно. Галактическое маг нитное поле также сосредоточено преимущественно в рукавах.
С одной стороны, в окрестностях Солнца удается просле дить участки двух спиральных ветвей, каждая из которых удалена от нашей планеты примерно одинаково — на 3 тыс.
световых лет. По созвездиям, где обнаружены эти участки, их называют рукавами Стрельца и Персея.
С другой стороны, Солнце расположено на расстоянии 23—28 тыс. световых лет от ядра Галактики, т. е. посереди не между центром и краем диска. Вместе со всеми близкими звездами Солнце вращается вокруг ее центра со скоростью 200—220 км/с, совершая один оборот примерно за 200 млн лет, т. е. за время своего существования она обернулась вокруг центра Млечного Пути не более 30 раз.
7.4. Эволюция — история жизни По существующим закономерностям вращения спиральных ветвей с постоянной угловой скоростью (аналогично спицам ко леса), а также движения звезд в Галактике почти все звезды то попадают внутрь рукавов, то выходят из них. Редкое исключе ние из этого правила представляют лишь звезды, находящиеся на коротационной окружности, представляющей относительно наиболее спокойное место Галактики. Именно там и расположе но Солнце. Для Земли последнее обстоятельство исключительно важно, ибо в рукавах происходят бурные процессы, порождаю щие мощное губительное для всего живого излучение, защи тить от которого не смогла бы никакая атмосфера.
Длительное время положение Солнца среди звезд считалось самым заурядным, и только теперь стало ясно, насколько оно «привилегированное». Миллиарды лет Земля не испытывала катастрофического воздействия наиболее мощных космических катаклизмов, случавшихся за это время, что непременно следу ет учитывать при рассмотрении возможности существования жизни в иных частях нашей Галактики и Вселенной в целом.
7.4.1.3. Земля Исследования земных и лунных пород, а также вещест ва метеоритов показали, что в окружающей нас части Солнеч ной системы нет вещества старше 4,6 млрд лет, поэтому при знано, что она (система) возникла около 5 млрд лет назад. Сов ременные астрономы, геологи и биологи пришли к выводу, что Земля образовалась из холодного газопылевого облака, и ее возраст составляет 4,5—5 млрд лет.
В начальный период развития наша планета была мало по хожа на свое современное состояние. Столкновения частиц газо пылевого облака вызвали их нагрев, после чего начали прояв ляться процессы гравитационной дифференциации вещества.
Тяжелее элементы опустились вниз и образовали ядро Земли, а легкие — поднимались. В определенный момент размеры Зем ли стали таковы, что газы, выделявшиеся на поверхности из ее недр, стали удерживаться и образовали атмосферу, состоявшую в те времена из воды, аммиака, диоксида углерода и метана.
Первоначально огненно-жидкая Земля остывала, покры валась коркой, которая коробилась по мере остывания недр и уменьшения их объема. В результате 4 млрд лет назад возник ла твердая базальтовая оболочка (кора) и начался необрати мый процесс ее развития. Горные породы, слагающие земную кору, образовывались в определенной последовательности, 292 Глава 7. БИОСФЕРА в результате чего планета приобрела сложную геологическую структуру.
До тех пор пока температура Земли не снизилась до 100 °С, вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмосфе ра, видимо, была «восстановительной», что подтверждается на ли [ием в самых древних горных породах Земли металлов в вос становленной форме, таких, как двухвалентное железо (Fe 2 + ).
Подсчитано, что возникновение Земли из допланетного об лака длилось примерно 100 млн лет.
7.4.1.4. Шкалы времени С момента образования Земля прошла необратимый путь развития и приобрела сложную геологическую структу ру. Используя специальные геологические методы, ученые восстановили основные этапы эволюции Земли.
Подлинную революцию в изучении истории Земли совер шила наука палеонтология (от греч. palaios — древний, ontos — сущее, logos — учение), изучающая вымерших животных и растения. Отмирая, они оставались в древних осадках, «кон сервировались» в них и превращались в окаменелости. Опира ясь на результаты палеонтологических исследований, геологи подразделили всю толщу осадочных слоев земной коры на ряд естественных серий, каждой из которых характерен свой опре деленный комплекс ископаемых окаменелостей.
Для определения относительного возраста пород использу ют ископаемые останки не только животных, но и растений (споры, пыльцу, отпечатки листьев). Наиболее характерные ископаемые организмы для определенного отрезка геологиче ского времени называют руководящей фауной.
Палеонтологический метод применим только к осадочным отложениям, так как в магматических и метаморфических по родах ископаемые организмы не встречаются. Кроме того, этот метод не позволяет определить продолжительность эр и пери одов в годах. Для того чтобы сравнить события в биосфере с со бытиями за ее пределами, нужна иная шкала — астрономи ческая или адекватная ей, которая может использоваться в ка честве абсолютной шкалы. Поэтому, спустя 100 лет после разработки палеонтологического метода, было предложено оп ределять время в годах с момента образования породы, пользу ясь радиоизотопным методом.
Радиоизотопные методы измерения промежутков времени в миллиарды лет основаны на том, что всегда и независимо от 7.4. Эволюция — история жизни внешних условий число радиоактивных атомов (Nt) и масса изотопа убывают со временем по закону где N0 — начальное количество изотопа;
t — время процесса;
Т0 5 — период полураспада.
Изотопы звездного происхождения с периодами полурас пада в 10 5 —10 7 лет в земной коре до наших дней не сохрани лись. Они стали вновь возникать только после 1945 г. как ре зультат ядерных взрывов и управляемых ядерных реакций.
Тем не менее в природе существуют изотопы с периодами полураспада, сравнимыми с возрастом Вселенной. К ним отно сятся изотопы урана, тория и калия, которые были свидетеля ми времен образования Солнечной системы.
Среди многочисленных методов определения «абсолютно го» возраста объекта наиболее распространены свинцово-ура ноториевый, калий-аргоновый и рубидий-стронциевый.
Так, свинцово-ураноториевый (или свинцовый) метод ос нован на использовании трех процессов радиоактивного распа да: 2 3 8 U -> 2 0 6 P b, 2 3 5 U -> 2 0 7 P b, 2 3 2 T h -> 2 0 8 Р Ь. Измерив в ура ноториевом минерале содержание всех шести изотопов ура на, тория и свинца, можно найти пять изотопных отноше ний: 2 3 8 U / 2 3 5 U ;
2 0 6 P b / 2 3 8 U, 2 0 7 P b / 2 3 5 U ;
2 0 8 P b / 2 3 2 T h и 2 0 7 P b / 2 0 6 P b. Из 100 г урана за 74 млн лет образуется 1 г (1%) изотопа свинца ( РЬ), накапливающегося в минералах. Пер U / 2 3 5 U во всех случаях составляет 137,7, и вое отношение поэтому остальные четыре отношения позволяют получить че тыре оценки возраста минерала. Когда все четыре отношения дают одинаковый возраст, результат признается достоверным.
Точность этого метода самая высокая и оценивается в ± 5%.
Свинцовый метод применяется ограниченно, поскольку урано ториевые минералы встречаются в природе редко.
Возраст более молодых пород (до 60 тыс. лет) определяют по содержанию радиоактивного изотопа углерода 1 4 С, который образуется в высоких слоях атмосферы под действием косми ческих нейтронов. Период полураспада 1 4 С составляет 5730 лет.
Измеряя содержание этого изотопа, можно определить, когда росло дерево, когда оно синтезировало органические соедине ния из атмосферного диоксида углерода.
Учет изотопов кислорода, входящих в состав СаС0 3, со ставляющего раковину моллюсков, позволяет определить да же температуру воды, в которой жил вымерший вид, и многое другое.
294 Глава 7. БИОСФЕРА 7.4.2. Эволюция биосферы Одной из центральных проблем биологии является при рода жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость.
Главными современными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:
• сотворение Богом в определенное время;
• самопроизвольное и неоднократное возникновение из не живого вещества;
• изначальное существование, т. е. была всегда;
• появление на планете извне;
• возникновение в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эво люция).
В основе биологической эволюции лежат уникальные про цессы самовоспроизведения макромолекул и живых организ мов, таящие в себе почти неограниченные возможности преоб разования систем в ряду поколений. Применительно к живым организмам эволюцию определяют как «развитие сложных ор ганизмов из предшествующих более простых организмов с те чением времени».
Биологическая эволюция — необратимое и в известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популя ций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов, крупных экосистем и биосферы в целом.
Результатом биологической эволюции всегда является I соответствие развивающейся живой системы условиям ее существования.
Достижение этого соответствия сопряжено с преимущест венным распространением одних и гибелью других дискрет ных биологических систем.
Эволюция биосферы на протяжении большей части своей истории шла под влиянием двух главных факторов:
• естественных геологических и климатических измене ний на планете;
• изменений видового состава и количества живых су ществ в процессе биологической эволюции.
На современном этапе следует учитывать и третий фактор — развивающееся человеческое общество.
7.4. Эволюция — история жизни 7. 4. 2. 1. Химическая эволюция ж и в о г о На основании последних теоретических и эксперимен тальных данных считается, что жизнь зародилась в пределах Солнечной системы на ранних стадиях ее развития. Подтверж дением этого является тот факт, что органические соединения достаточно большой сложности (вплоть до аминокислот) при сутствуют в некоторых метеоритах — древнейших каменных телах, сохранивших признаки своего образования в «заморо женном» состоянии. Список органических соединений в мете оритах (осколках астероидов) достаточно велик.
Синтез сложных органических соединений как предшест венников живого вещества был закономерным этапом в хими ческой эволюции Солнечной системы в канун формирования планет. Это явление было типичным и массовым.
Большинство современных теорий, расходясь в некоторых деталях, в целом аналогичным образом трактуют начальные стадии возникновения и химической эволюции жизни в преде лах нашей планеты.
Теория Опарина. Отсутствие в атмосфере кислорода, веро ятно, было необходимым условием для возникновения жизни.
Лабораторные опыты показали, что органические вещества (основа живых организмов) значительно легче синтезируются (создаются) в восстановительной среде, чем в присутствии кис лорода.
Известным советским ученым А. И. Опариным (1923) бы ла высказана гипотеза, что органические вещества могли со здаваться в океане из более простых соединений при воздейст вии интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца, кото рое в тот период не ослаблялось слоем озона, ибо его еще не существовало. Отсутствие озонового слоя означало, что жизнь в те времена могла развиваться только в воде на глубинах бо лее 10 м. Разнообразие простых соединений в океанах, пло щадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволили Опарину предположить, что в океанах по степенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором смогла возникнуть жизнь.
С. Миллер (1953) на лабораторной установке смоделировал условия (температуру, давление, состав газовой среды, а так же высоковольтный электрический разряд как: источник энер гии), которые предположительно имели место на Земле в те да лекие времена. Ему удалось синтезировать многие биологиче ски важные вещества, такие, как аминокислоты, аденин и 296 Глава 7. БИОСФЕРА простые сахара. На подобной установке синтезировались прос тые нуклеиновые кислоты. Позже эти результаты были много кратно проверены и уточнены.
Подтвержденная экспериментально теория Опарина заво евала широкое признание, однако наиболее тонким звеном в ней (проблемой, не решенной до настоящего времени оконча тельно) является переход от сложных органических веществ к простым живым организмам. Предлагается лишь относи тельно приемлемая общая схема, и отсутствует единое мне ние о деталях этого процесса.
А. И. Опарин предположил, что превращение неживого в живое происходило благодаря белкам, которые имеют свойст во образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к се бе молекулы воды и создающие из них некую оболочку. Эти комплексы могут обособляться от остальной массы воды и сли ваться друг с другом, т. е. возможен процесс коацервации (от лат. coacervatio — собирание в кучу, накопление). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны избира тельно извлекать и накапливать из окружающей среды раз личные соединения. Состав конкретного коацервата, вероят но, зависел от состава окружающей его среды.
Разнообразие «первичного бульона» в разных местах вы зывало различие в химическом составе коацерватов — условие для «биохимического естественного отбора». Внутри коацерва тов вещества могли вступать в различные химические реак ции, в том числе поглощать ионы металлов и образовывать ферменты. На границе коацерватов и окружающей их среды выстраивались липиды, что вело к образованию примитивной клеточной мембраны, создававшей стабильность коацерватов и обеспечивавшей пространственно-временное разобщение на чальных и конечных продуктов реакции. Образование мемб ранной структуры считается самым трудным этапом химиче ской эволюции. Истинное существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов.
Рост размеров коацерватов и их фрагментация (деление), возможно, вели к образованию одинаковых коацерватов, и та ким образом процесс мог продолжаться. Описанная последова тельность событий должна была привести к возникновению примитивного гетеротрофного организма, питающегося орга ническими веществами первичного бульона.
У современных организмов выявлено большое разнообра зие биохимических путей связывания и освобождения энер 7.4. Эволюция — история жизни гии, что, вероятно, отражает первые эксперименты природы над живыми организмами.
Хиральная чистота жизни. В воссозданной схеме проис хождения жизни одним из самых загадочных остается факт, сформулированный Л. Пастером в виде закона хиральной чистоты:
I живое вещество состоит только из хирально чистых II структур.
Хиральность или хиральная чистота — свойство объекта (индивидуальных молекул и их соединений) быть несовмести мыми со своим отображением в идеально плоском зеркале.
Так, белки живого построены только из «левых» (левовращаю щих — поляризующих свет влево) аминокислот, а нуклеино вые кислоты состоят исключительно из «правых» (правовра щающих — поляризующих свет вправо) Сахаров и так далее.
Вещества небиогенного происхождения всегда имеют оди наковое количество «правых» и «левых» молекул, они зер кально симметричны.
Эксперименты показали, что только в хирально чистых растворах могло возникнуть биологически значимое удлине ние цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации.
Живые системы организованы так, что т-РНК 2 из «правых» Сахаров присоединяет к себе только «левые» аминокислоты.
Все живое поддерживает свою хиральную чистоту, и эволюция не снабдила организмы средствами для обитания в зеркально симметричной среде. Поэтому возникновение живого из нежи вого в современных условиях невозможно.
Роль хиральности в живой природе столь велика, что по иск хирально чистых веществ на других планетах рассматри вается как один из вариантов обнаружения внеземной жизни.
Первые организмы. В позднем архее (более 3,0 млрд лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникли первые организмы в виде мельчайших примитивных существ — про тобионтов (от греч. protos — первый, bions — живущий).
Предполагается, что они были гетеротрофами, так как толь Происхождению термина «хиральность» (от греч. cheir — рука) способствовала аналогия с правой и левой руками. В отечественной лите ратуре встречается иное написание термина — «киральность».
т-РНК — транспортная рибонуклеиновая кислота 298 Глава 7. БИОСФЕРА ко гетеротрофы могут использовать энергию, заключенную в сложных органических веществах первичного бульона, син тезированных в ходе химической эволюции. Для самых ран них стадий жизни химические реакции синтеза питательных веществ были слишком сложны и недоступны. Вероятно, про тобионты были дрожжеподобными анаэробами и энергию, не обходимую для дыхания, получали путем брожения. Однако брожение по сравнению с кислородным дыханием — относи тельно малоэффективный способ энергообеспечения. Поэтому эволюция не могла пойти дальше одноклеточной формы орга низации жизни, к которым относятся одноклеточные прока риоты.
Питание первых примитивных организмов было ограни ченно и, по-видимому, зависело от медленно опускавшихся ор ганических веществ, синтезировавшихся под действием ради ации в верхних слоях воды, куда «голодные» микробы не рис ковали подниматься.
Таким образом, схема образования живого из неживого выглядит следующей чередой (последовательностью) событий:
Неорганические соединения Органические соединения «Первичный бульон» Коацерваты Протобионты Предбиологические многомолекулярные системы ДНК Клетка Многоклеточные организмы вопросы, всех громадных успехах биохимии ответы наеще нет.
умозрительных рассуждений. к простым живым пока характер перехода от неживыхс веществ Единой всеобъемлющей многие При связанные возникновением жизни, имеют теории 7.4. Эволюция — история жизни Приведенная гипотеза происхождения жизни А. И. Опа рина — одна из самых признанных. Однако мысль о том, что живое возникло только лишь как результат вышеописанных случайных взаимодействий молекул, по выражению астронома Ф. Хойла, «столь же нелепа и неправдоподобна, как утвержде ние, что ураган, проносясь над мусорной свалкой, может при вести к сборке «Боинга 747». Труднее всего по данной теории объяснить, как именно появилась способность живых существ к самовоспроизведению. Существующие гипотезы малоубеди тельны, и это никак не подтверждено экспериментально.
7.4.2.2. Органическая эволюция Постепенно ресурсы в виде «первичного бульона» исто щались, и хемосинтез начал затухать, однако в ходе биохими ческой эволюции образовались более сложные органические вещества. Среди них появились и такие, что оказались способ ны осуществлять фотосинтез, т. е. использовать для синтеза необходимых клеточных веществ непосредственно энергию из лучения Солнца, проникавшую в глубь воды. С включением этих веществ в состав существовавших клеток последние стали самостоятельно синтезировать свои клеточные материалы, и необходимость поглощать их извне отпала — клетки стали ав тотрофными.
Полагают, что самые первые фотосинтезирующие клетки были лишены метаболизма, ведущего к образованию молекул кислорода;
организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода, подобные современным синезеленым водорослям, появились позже. Тогда количество кислорода в воде стало бы стро расти, а вследствие десорбции (выделения) его в атмосфе ру она из восстановительной превратилась в окислительную. С данного момента началось постепенное накопление кислорода в атмосфере, и когда его концентрация стала равна 1% от сов ременного уровня, победа аэробов над анаэробами стала окон чательной. Соответствующий момент получил название 1-й точки Пастера. Произошло это геологически внезапно не бо лее чем за 100—200 тыс. лет.
Описанные события происходили в архее около 2 млрд лет назад (рис. 7.28). Они вызвали огромные изменения в химии Земли, обеспечили быстрое распространение жизни и развитие эукариотических клеток. Свидетельством того служат разно образные геологические формации, образовавшиеся в резуль тате выпадения в осадок многих минералов, таких, как соеди нения железа.
300 Глава 7. БИОСФЕРА С ростом количества кислорода в атмосфере увеличивался также слой озона и, как следствие, уменьшался уровень ульт рафиолетовой радиации, достигавшей поверхности Земли.
Аэробное дыхание сделало возможным развитие сложных многоклеточных организмов. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в ат мосфере достигло 3—4% его современного уровня (или около 0,6% состава той атмосферы). Случилось это примерно 1 млрд лет назад (см. рис. 7.26). Многоклеточные организмы, вероят но, появились 700 млн лет назад по достижении концентрации кислорода в атмосфере 8% от современного уровня.
Период времени, когда существовали только мелкие, про кариотические одноклеточные формы жизни, называется до 2 1 0,7 0, Время, млрд лет Рис. 7.28. Схема эволюции состава атмосферы и биосферы (по Ю. Одуту с дополнениями) 7.4. Эволюция — история жизни кембрием. В кембрийский период произошел эволюционный взрыв новых форм жизни, таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных. В течение последующих периодов палеозой ской эры жизнь заполнила все моря.
После возрастания концентрации кислорода в атмосфере и достижения уровня 10% от современного (2-я точка Пасте ра) озоновый слой стал настолько эффективно защищать жи вое от жесткого ультрафиолетового излучения, что жизнь по степенно вышла из водной среды на сушу. Дальнейшее форми рование наземных экосистем пошло относительно автономно от процессов эволюции водных экосистем. Развитие наземной зеленой растительности обеспечило большие количества кис лорода и пищи, которые были необходимы для последующей эволюции таких крупных животных, как динозавры и млеко питающие, а также человека. Одновременно океанический планктон дополнительно к формам с клеточными оболочками из органических веществ пополнился формами с известковы ми, а позже и с кремниевыми оболочками.
В середине палеозоя (около 400 млн лет назад) потребле ние кислорода сравнялось с его продуцированием, в результа те чего концентрация кислорода в атмосфере стабилизиро валась на уровне современного, т. е. около 20%. Это позволя ет экологии проводить аналогию между эволюцией биосферы и сукцессией.
В конце палеозоя (350—250 млн лет назад) изменился кли мат, послуживший началом обширного «автотрофного цвете ния», вызвавшего снижение содержания 0 2 и повышение со держания С 0 2. В результате этого создались запасы ископае мого топлива — основы энергетики в наши дни. Позже (200— 150 млн лет назад) содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере постепенно вернулось к относительно стабильно му уровню, сохранившемуся до наших дней.
За время эволюции биосферы усиление ее биопродуктив ности всегда сопровождалось интенсивным образованием мно гих полезных ископаемых, таких, как нефть, газ, уголь, горю чие сланцы, фосфориты, калийные соли и др.
Земля пригодна для жизни уже около 4 млрд лет, что в первую очередь свидетельствует о малых колебаниях темпе ратуры ее поверхности. За это продолжительное время не про исходило ни сильного переохлаждения, ни сильного перегре ва, т. е. приход энергии из космоса был равен ее расходу. Тем не менее в отдельные периоды происходили достаточно силь 302 Глава 7. БИОСФЕРА ные колебания климатических условий среды обитания жи вых организмов, например, колебания уровня Мирового оке ана с разницей между максимумом и минимумом, по некото рым оценкам, порядка 300—400 м.
Периоды общего похолодания на нашей планете чередова лись с периодами потепления достаточно часто. Ледяные шап ки на полюсах как бы пульсируют: то разрастаются, то сокра щаются. Считается, что за цикл «разрастание — отступление» ледниковые покровы пропускают через себя весь объем гидро сферы. Подобные циклы продолжаются около 100 тыс. лет. За последний миллион лет этих циклов было (по разным оцен кам) от четырех до восьми. Во всяком случае, твердо утверж дается, что за это время вся гидросфера Земли несколько раз полностью прошла через твердую фазу в ледниках планеты.
Все оледенелые и безледные состояния нашей планеты по ка еще не известны. Чем древнее отложения, тем труднее вы явить точную картину прошлых событий. Тем не менее су ществуют оценки, в соответствии с которыми общее количест во оборотов гидросферы через ледники исчисляют тысячами.
Наиболее крупными достоверно установленными периода ми наступления ледников являются эпохи оледенения:
• в середине раннего протерозоя;
• с конца верхнего рифея и до начала венда;
• с конца палеогена (около 25 млн лет назад);
• «великие оледенения» северных материков в антропоге новый период.
Так, в среднем плейстоцене (45—60 тыс. лет назад) мощ ные ледниковые языки спустились почти до 48° с. ш. в Европе и до 37° с. ш. в США. В это время в Северном полушарии было сосредоточено до 67% площади континентальных ледников земного шара, тогда как в наши дни эта величина не превыша ет 16%.
Ледниковый климат относительно устойчив, и продолжи тельность каждого ледникового периода составляла десятки тысяч лет. До сих пор не ясно, каким образом и почему Земля выходила из этого состояния, причем таяние многокилометро вой толщи ледников происходило относительно быстро, при мерно за 1 тыс. лет. Многолетнее промерзание пород на севере России (отголосок последнего ледникового периода) продолжа ется до настоящего времени.
Межледниковые эпохи характеризовались относительно мягким климатом. Средние температуры при этом повыша 7.4. Эволюция — история жизни лись на 6—12 °С. Последние 10 тыс. лет относятся к послелед никовой эпохе.
Наиболее стабильные условия в биосфере были в эпохи между парами «гигантских волн жизни». Особенно выделяет ся позднемеловая эпоха, когда почти 20 млн лет не происходи ло ни грандиозного соленакопления, ни накопления органики (в виде топлива). В это время на Земле были наиболее благоп риятные климатические условия. Средние широты характери зовались слабовлажным теплым климатом, тропики — менее влажным, чем сейчас. В высоких широтах тогда не было оле денения, а климат был достаточно теплым и не очень влаж ным.
Считается, что наши дни относятся к эпохе между бурны ми событиями последней гигантской волны жизни и грядущей гигантской волной с буйством флоры на континентах типа раннеюрской. При естественном ходе событий без антропоген ного вмешательства человека ее начало ожидается через 5— 10 млн лет.
Эволюционный прогресс не был случаен. С одной стороны, жизнь занимала все новые пространства, с другой стороны, ус ловия существования на Земле непрерывно менялись и всему живому приходилось к ним приспосабливаться. Этим и созда ется направленность эволюции. Одни виды (сообщества, эко системы) сменяют другие. В истории Земли неоднократно про исходили массовые вымирания целых видов. За последний миллиард лет произошли пять или шесть катастрофических вымираний преимущественно многочисленных видов живот ных. Так, 650 млн лет назад относительно внезапно исчезли многие формы одноклеточных водорослей, 450 млн лет назад резко поредели панцирные обитатели океана, а 65 млн лет на зад исчезли многие рептилии.
Причины этого могли быть разнообразны: от падения на Зем лю астероида до возникновения более прогрессивных форм, лучше приспособленных к новым условиям жизни, подвиж ных, «сообразительных». Истинные же причины произошед шего, возможно, не станут известны никогда, но все эти выми рания были:
• неодновременными по всей планете;
• растянуты на миллионы лет;
• не связаны с деятельностью человека.
В настоящее время ежедневно в мире исчезает по одному виду животных и еженедельно — по одному виду растений, а по обоснованным прогнозам один вид животных скоро будет 304 Глава 7. БИОСФЕРА исчезать ежечасно. К в ы м и р а н и ю ведет расхождение м е ж д у т е м п а м и эволюции и темпами и з м е н е н и я среды. Следует отме тить, что в ы м и р а н и е одних групп часто с л у ж и т условием воз н и к н о в е н и я и распространения новых групп организмов, уве л и ч е н и я многообразия ж и з н и на Земле. Всегда на место ушед ш и х форм п р и х о д я т новые.
В ы м и р а н и е одних и формирование новых видов — процесс к а с к а д н ы й, л а в и н о о б р а з н ы й. К а ж д ы й в ы м е р ш и й вид увлека ет за собой 7—11 других с в я з а н н ы х с н и м видов. Образование нового вида крупного организма формирует свою группу с та к и м ж е числом в з а и м о с в я з а н н ы х видов, т а к к а к п о з а к о н у константности количества живого вещества В. И. Вернад ского I количество живого вещества биосферы (для данного II геологического периода) есть константа.
Ж и в о е вещество, согласно з а к о н у биогенной м и г р а ц и и атомов, я в л я е т с я энергетическим посредником м е ж д у Солн цем и З е м л е й. П р и постоянном потоке солнечной энергии и от носительной неизменности на п р о т я ж е н и и м и л л и а р д о в лет об щ е й э н е р г е т и к и н а ш е й п л а н е т ы либо количество ж и в о г о веще ства д о л ж н о быть п о с т о я н н ы м, либо д о л ж н ы м е н я т ь с я его энергетические х а р а к т е р и с т и к и, что в свою очередь исключа ется з а к о н о м физико-химического единства ж и в о г о вещества.
По подсчетам палеонтологов, существующие в н а с т о я щ е е время виды составляют л и ш ь н и ч т о ж н у ю часть ( 2 — 5 % ) из об щего ч и с л а видов, когда-либо о б р а з о в а в ш и х с я на З е м л е в ходе э в о л ю ц и и (около 500 м л н видов за последние 4,5 млрд лет), т. е. основная часть существовавших видов в ы м е р л а.
П р и этом история р а з в и т и я ж и з н и н а З е м л е п о к а з ы в а е т, что в ы м и р а н и е к а к э в о л ю ц и о н н ы й процесс — н е о б я з а т е л ь н ы й момент в р а з в и т и и группы, о чем свидетельствуют существую щ и е р е л и к т ы. Т а к, морское плеченогое лингула существует в неизменном виде с ордовика (более 500 м л н лет);
к и с т е п е р а я рыба л а т и м е р и я, которая встречается в глубоководных участ к а х п р и б р е ж н ы х вод Восточной А ф р и к и, сохранила свое стро ение и форму с девона ( 4 0 0 — 3 5 0 м л н лет назад). Эпохи Лавра з и и и Гондваны ( 4 0 0 — 1 5 0 м л н лет назад) оставили много ре л и к т о в ы х форм с р а з о р в а н н ы м ареалом. Н а п р и м е р, осетровые и в первую очередь веслоносы обитают одни в К и т а е, а другие в Миссисипи (этих пресноводных рыб теперь р а з д е л я ю т оке аны).
7.4. Эволюция — история жизни Для возникновения живого, отличающегося от неживого, были необходимы уникальные и неповторимые условия ран ней эволюции Земли как планеты. С появлением форм пред жизни и праорганизмов стал действовать принцип, выявлен ный итальянским естествоиспытателем и врачом Ф. Реди (1626—1698) и заново сформулированный В. И. Вернадским (1924):
живое происходит только от живого, м е ж д у живым I и неживым веществом существует непроходимая грани ца, хотя и имеется постоянное взаимодействие.
Если бы в наши дни сложились локальные условия для по вторного возникновения жизни (например, в жерле затухаю щего вулкана) или она была бы занесена извне (из космоса), то возможны следующие два исхода:
• она не смогла бы долго существовать, так как была бы уничтожена уже существующими организмами;
• стала бы глобальным бедствием, ибо подавила бы су ществовавшее ранее.
С начала формирования биосферы современного типа постепенно росло число видов организмов, их биомасса и про дуктивность. Это увеличение продолжалось до тех пор, пока названные характеристики биосферы не стали постоянными.
Такой рост и стабилизация могли произойти достаточно быст ро. Предельное число видов в ходе эволюционного процесса могло возникнуть всего за 70 млн лет.
Биосфера развивается при тесной совместной эволюции ор ганизмов. Такую коллективную, сопряженную эволюцию на зывают коэволюцией1. Она шла в геологическом масштабе вре мени миллиарды лет. Мощные антропогенные факторы воз никли на Земле за исключительно короткое время, однако по мощности воздействия на биосферу они стали сопоставимы с природными.
Часть организмов приспособилась и сделалась синантропа ми — спутниками человека, обитая в местах, населенных че ловеком, и в созданных им агроценозах. Однако надеяться на Коэволюция — это тип эволюции сообщества, заключающийся во взаимных селективных воздействиях друг на друга двух больших групп организмов, находящихся в тесной экологической взаимозависимости, таких, к а к растения и травоядные, крупные организмы и их микроско пические симбионты, паразиты и их хозяева. Обмен генетической инфор мацией между группами минимален или отсутствует.
306 Глава 7. БИОСФЕРА коэволюцию человека и природы в современных условиях нельзя, так как природе не угнаться за человеком, за произво димыми им изменениями. Кроме того, при всем социальном и экономическом величии люди остаются биологическими су ществами — рождаются, живут и умирают.
Находясь в единой сети жизни, человек подчиняется ее за конам, в соответствии с одним из которых:
любой вид м о ж е т существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генети ческим возможностям приспособления к ее колебаниям и изменениям. В чуждой среде вид существовать не м о жет.
Именно поэтому в природе виды поддерживают среду свое го обитания, во всяком случае не разрушая ее. Даже паразиты настолько «разумны», что полностью не уничтожают своих хо зяев.
В ходе геологического времени развитие биосферы носило необратимый характер. Основываясь на эволюционном учении и палеонтологических данных, бельгиец Л. Долло (1857— 1931) сформулировал закон необратимости эволюции:
организм не м о ж е т вернуться, хотя бы частично, к пред I шествующему состоянию, которое было у ж е осуществ лено в ряду его предков.
История развития атмосферы ярко иллюстрирует абсолют ную зависимость живых организмов, и прежде всего человека, от других организмов, населяющих биосферу. Однако антро погенное воздействие на биосферу, в частности загрязнение воздуха пылью, парниковыми газами (С0 2, СН 4, N 2 0 и др.), фреонами и иными веществами, может нарушить существую щую хрупкую стабильность.
7. 4. 2. 3. Развитие т е о р и и э в о л ю ц и и История развития теории эволюции показывает, что концепция непрерывности или постепенного развития более сложных видов из предществующих более простых форм воз никла у ряда философов и естествоиспытателей еще в Древнем Китае (Конфуций), в Античную эпоху (Диоген, Демокрит, Аристотель и др.) и в Средневековье, т. е. задолго до формаль ного провозглашения эволюционных гипотез в начале XIX в.
7.4. Эволюция — история жизни Французский биолог Ж. Б. Ламарк (1809) выдвинул гипо тезу о механизме эволюции, основанную на двух предпосыл ках: упражнение и неупражнение частей организма и наследо вание приобретенных признаков. Взгляды Ж. Ламарка спо собствовали подготовке почвы для принятия эволюционной концепции, но не получили широкого признания.
Несколько раньше священник Т. Мальтус (1798) опубли ковал «Трактат о народонаселении», где привлек внимание к репродуктивному потенциалу человека и ярко обрисовал, к чему мог бы привести рост населения, происходящий по экс поненте, если бы он ничем не сдерживался.
Ч. Дарвин (1809—1882), вернувшись в 1836 г. из пятилет него кругосветного путешествия, совершенного на военном ко рабле «Бигль», перенес рассуждения Т. Мальтуса на получен ные им в плавании материалы наблюдений за флорой и фауной Галапагосских островов. Сопоставляя огромное количество сведений, он в 1839 г. сформулировал теорию эволюции путем естественного отбора. Считают, что основной вклад Ч. Дарви на в науку заключается не в доказательстве существования эво люции, а в объяснении, как именно она может происходить.
Одновременно с Ч. Дарвином другой много путешествовав ший естествоиспытатель А. Р. Уоллес (1822—1913), изучив труд Т. Мальтуса, пришел к таким же выводам, что и Ч. Дар вин. В 1858 г. он изложил свою теорию в письме к Ч. Дарвину.
В июле 1858 г. они выступили с докладами на заседании Лин неевского общества в Лондоне, а уже в ноябре следующего года Ч. Дарвин опубликовал «Происхождение видов путем естест венного отбора». Тираж книги был продан за один день, и счи тают, что по своему воздействию на человеческое мышление она уступала только Библии.
Теория эволюции, предложенная Ч. Дарвиным и А. Уол лесом, была значительно расширена и доработана в свете сов ременных данных генетики, палеонтологии, молекулярной биологии и экологии и получила название «неодарвинизма», который определяют как теорию органической эволюции пу тем естественного отбора признаков, детерминированных генетически.
Теория эволюции завоевала широкое признание 1, однако предстоит еще многое сделать для ее уточнения и приложения Запрет Ватикана на теорию эволюции Ч. Дарвина был снят л и ш ь в 1996 г., а четырьмя годами раньше, в 1992 г., было отменено действие Декрета от 1633 г., осуждавшего Г. Галилея за приверженность гелио центрической теории строения Солнечной системы.
308 Глава 7. БИОСФЕРА ко всем наблюдаемым ситуациям. В научных дискуссиях об эволюции давно обсуждается не сам факт ее существования, а то, что она происходит п у т е м е с т е с т в е н н о г о о т б о р а с л у ч а й н о в о з н и к а ю щ и х м у т а ц и й. Современ ное объяснение изменчивости живых организмов — это ре з гльтат синт? за теории эволюции, основанной на работах Ч. Дарвина и А. Уоллеса, и теории наследственности, основан ной на законах Менделя.
7.4.2.4. Учение о ноосфере Эволюция органического мира, осуществлявшаяся на основании только биологических закономерностей жизнеде ятельности и развития, происходила в два этапа:
• возникновение первичной биосферы с биотическим кру говоротом (химическая эволюция по А. И. Опарину) примерно 4,6—3,5 млрд лет тому назад;
• усложнение биоценоза как результат появления много клеточных организмов (органическая эволюция), начи ная примерно с 3,5 млрд лет тому назад.
Возникновение на Земле человеческого общества способст вовало выделению третьего этапа эволюции биосферы.
Эволюция центральной нервной системы постепенно пре вратила Homo sapiens в самое могущественное существо на земном шаре, по крайней мере по способности изменять функ ционирование экосистем и биосферы в целом. Человек долгое время усиливал власть над природой, развивал технический потенциал, увеличивал эксплуатацию природных ресурсов, однако в дальнейшем этот процесс может привести лишь к ка тастрофическому разрушению природной среды с последую щим снижением качества жизни.
Приняв за исходное биогеохимическую основу биосферы, установленную академиком В. И. Вернадским, французский философ Э. Леруа (1927) предложил понятие ноосферы (от греч. noos — ум, разум;
sphaira — шар), назвав так современ ную ему стадию развития биосферы. Э. Леруа и его последова тели дали трактовку ноосферы как «мыслящего пласта», заро дившегося в конце неогена (около 1 млн лет назад) и с тех пор разворачивающегося над миром растений и животных вне био сферы и над ней. В свою очередь В. И. Вернадский принял и в последующие 15—20 лет развил понятие «ноосферы» как сферы разума — высшей стадии развития биосферы, связан ной с возникновением и становлением в ней цивилизованного 7.4. Эволюция — история жизни человека, с периодом, когда разумная человеческая деятель ность становится главным, определяющим фактором развития на Земле. Окончательно сформулировавшиеся к 1943 г. и опуб ликованные в 1945 г. идеи В. И. Вернадского о неотделимости человечества от биосферы указывают на главную цель в по строении ноосферы. Она заключается в неизменности того ти па биосферы, в которой возник и может существовать человек как вид, сохраняя свое здоровье, образ жизни.
На современном этапе отношения «человек—природа» но сят сложный характер. Преобразующая деятельность челове ка в биосфере неизбежна, так как с ней связано благосостояние населения. Незнание или нежелание учитывать свойственные природе законы поставило на грань сомнения если не сущест вование всей биосферы, то как минимум возможность достой ного развития в ней «Человека разумного».
Мозг человека представляет собой «устройство» с низкими количественными и высокими качественными энергетически ми характеристиками, а также с огромными способностями к управлению. Однако нельзя не признать, что человек пока не обладает достаточной прозорливостью, чтобы понимать по следствия своих действий. Говорить о сегодняшнем состоянии биосферы, как о ноосфере, еще рано. В современном понима нии ноосфера — это гипотетическая стадия развития био сферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором ее устойчиво го развития.
Гармония антропогенной деятельности человека и приро ды возможна только при • осуществлении контроля численности человечества;
• ограничении чрезмерных потребностей людей;
• рационализации использования природных ресурсов;
• использовании только экологически целесообразных промышленных технологий с максимальной переработ кой и применением вторичных материальных и энерге тических ресурсов;
• осуществлении глобального мониторинга за состоянием окружающей природной среды и др.
Определенный шаг в направлении перехода биосферы в ноосферу — осознание и провозглашение необходимости пере хода мирового сообщества на позиции устойчивого развития.
310 Глава 7. БИОСФЕРА 7.5. Ресурсы биосферы И с т о ч н и к а м и существования живого в биосфере, и л и ее ресурсами, я в л я ю т с я кислород, вода, почва, м и н е р а л ы, расти тельность, ж и в о т н ы е и др. Ресурсы д е л я т с я на неисчерпаемые и исчерпаемые (рис. 7.29). Неисчерпаемость Космоса, энергии Солнца, г р а в и т а ц и и и многого другого в масштабе сроков эво л ю ц и и человека в биосфере очевидна.
Быстро возобновимые исчерпаемые ресурсы воссоздаются п о п у л я ц и я м и, и м е ю щ и м и большой биотический потенциал (видовая способность к р а з м н о ж е н и ю при отсутствии ограни ч е н и й со стороны среды) и большую скорость роста ( т р а в я н а я растительность, ж и в о т н ы е ).
Относительно (медленно и л и не полностью) возобновимые ресурсы я в л я ю т с я с л о ж н ы м и м н о г о к о м п о н е н т н ы м и экосисте м а м и (почва, лес). Т а к, почва — результат деятельности поч в е н н ы х м и к р о о р г а н и з м о в, растений, грибов и ж и в о т н ы х — способна возродить свое плодородие, но происходит это к р а й н е медленно. Д л я восстановления 1 см т о л щ и н ы плодородного слоя почвы требуется в среднем около 150 лет. В р а з н ы х кли Рис. 7.29. К л а с с и ф и к а ц и я р е с у р с о в п о п р и з н а к а м и с ч е р п а е м о с т и 7.5. Ресурсы биосферы матических и ландшафтных зонах этот процесс идет с разной скоростью. Для восстановления зрелого хвойного леса (устой чивое климаксное сообщество) требуется около 100 лет. Моло дые леса, не являющиеся устойчивыми сообществами, восста навливаются быстрее.
Невозобновимые ресурсы биосферы (например, ископае мые руды, осадочные породы и др.) и сейчас образуются при геохимических процессах в недрах, глубинах океана, а также на поверхности земной коры, но скорость их формирования в земной коре или ландшафтной сфере несравнимо меньше скорости их потребления человеческим обществом.
7. 5. 1. Природные ресурсы Часть ресурсов биосферы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут исполь зоваться для удовлетворения потребностей человеческого об щества, принято называть природными ресурсами (по опреде лению А. А. Минца). При этом к природным ресурсам также относят некоторые компоненты недр Земли, которые никому, кроме человека, не нужны и даже вредны (нефть, ртуть, уран и др.).
В настоящее время природными ресурсами называют при родное сырье и топливо для производства продуктов потребле ния человека.
Важно отметить, что т е л а и я в л е н и я п р и р о д ы становятся определенным ресурсом лишь в том случае, если в них в о з н и к а е т потреб н о с т ь. Поэтому объем природных ресурсов меняется в зави симости от района земного шара и стадии социально-экономи ческого развития общества. Так, в первобытно-общинном об ществе потребности человека и его возможности по их удовлет ворению путем использования природных богатств были исключительно скромными и не выходили за рамки охоты, рыбной ловли и собирательства.
Потребности общества изменяются с развитием новых тех нических возможностей освоения природных богатств. Напри мер, нефть была известна как горючее вещество еще за 600 лет до н. э., но в качестве сырья для топлива в промышленных масштабах ее стали использовать лишь в середине XIX в.
Именно с тех пор нефть превратилась в реально доступный энергетический природный ресурс, значение которого неук лонно возрастало.
312 Глава 7. БИОСФЕРА До середины XX в. нефть, залегающая в донных отложе ниях шельфа Мирового океана, не считалась ресурсом, ибо уровень развития техники не позволял производить ее добычу на шельфе. Лишь в 40-х годах XX в. в акваториях озера Мара кайбо (Венесуэла) и Каспийского моря впервые началась про мышленная разработка нефтяных залежей мелководья морей и океанов.
Исходя из первоочередности цели сохранить окружающую среду на нашей планете в неизменном, привычном человеку виде, следует особо отметить, что природными ресурсами для человечества являются абсолютно все ресурсы биосферы, а би ота, обладающая мощнейшей средообразующей и средорегули рующей функцией, есть главный природный ресурс.
7.5.2. Классификация природных ресурсов В зависимости от технического и технологического со вершенства процессов извлечения и переработки природных ресурсов, экономической рентабельности, а также с учетом сведений об объемах природного сырья выделяют две катего рии природно-ресурсных запасов:
• доступные (доказанные или реальные) запасы — объ емы природного ресурса, выявленные современными методами разведки, технически доступные и экономи чески рентабельные для освоения;
• потенциальные (общие) ресурсы — ресурсы, помимо доступных, установленные на основе теоретических расчетов и обследований, включая те, которые в настоя щее время нельзя освоить по техническим или экономи ческим соображениям (например, залежи бурого угля на больших глубинах, запасы пресной воды в ледни ках). Кроме того, потребности в природном ресурсе мо гут полностью блокироваться технологической невоз можностью их освоения в наши дни, например, произ водство энергии на основе управляемого термоядерного синтеза. Поэтому потенциальные ресурсы образно назы вают «ресурсами будущего».
С развитием научно-технического прогресса потенциаль ные ресурсы переходят в категорию доступных.
Разработаны и применяются несколько классификаций природных ресурсов: по природному происхождению, по ви 7.5. Ресурсы биосферы дам хозяйственного использования, по признаку исчерпа емости.
Классификация по происхождению. По указанному при знаку природные ресурсы подразделяют на минеральные, кли матические, водные, земельные, почвенные, биологические (растительные и животные). Эта классификация не отражает хозяйственной роли ресурсов и их экономического значения, поэтому чаще применяют классификацию по направлениям и формам использования.
Классификация по видам хозяйственного использования.
В зависимости от отнесения к тому или иному сектору матери ального использования природные ресурсы подразделяют на ресурсы промышленного и сельскохозяйственного производст ва. Ресурсы промышленного производства включают в себя все виды сырья, используемого промышленностью: э н е р г е т и ч е с к и е (горючие полезные ископаемые, гидроэнергоресур сы, биоконверсионная энергия, ядерная энергия) и н е э н е р г е т и ч е с к и е (ресурсы металлургии, химии и нефтехимии, лесопереработки и т. п.).
Классификация по признаку исчерпаемости. По призна ку исчерпаемости все природные ресурсы, как и ресурсы био сферы, подразделяют н а и с ч е р п а е м ы е и н е и с ч е р п а е м ы е 1 (рис. 7.29).
Неистощимость ресурса подразумевает его бесконечность, хотя бы в сравнении с потребностями в нем. Так, условно неис черпаемым ресурсом для первобытных людей была, например, территория Земли. Однако поскольку сегодня численность че ловечества растет опасными темпами, а планета имеет совер шенно конкретные конечные размеры, то возникли два оче видных ограничения:
• на ограниченной в целом Земле не может быть ничего бесконечного (часть не может быть больше целого), а следовательно, для человека нет неисчерпаемых при родных ресурсов;
• экспоненциально растущая часть планеты — человече ство со своими постоянно увеличивающимися потреб ностями легко исчерпывает ресурсы любой емкости.
Ресурсы, которые иногда еще кажутся неисчерпаемыми (например, поток солнечной энергии и иные мощные природ При этом необходимо иметь в виду важное замечание Н. Ф. Рей мерса о том, что выделить группу неисчерпаемых природных ресурсов можно л и ш ь со значительными оговорками.
314 Глава 7. БИОСФЕРА н ы е я в л е н и я ) по сравнению с энергопотреблением человечест ва ( р а з н и ц а действительно в е л и к а ;
с м. табл. 6.2) о к а з ы в а ю т с я в действительности резко о г р а н и ч е н н ы м и из-за л и м и т о в потребления.
Контрольные вопросы и задания 7.1. Дайте определение биосферы: какова ее структура?
7.2. Кто впервые ввел в науку термин «биосфера»?
7.3. Назовите основные оболочки Земли.
7.4. Каковы важнейшие аспекты учения В. И. Вернадского о био сфере?
7.5. Чем отличается земная кора от мантии и ядра?
7.6. Как отражается на развитии жизни на Земле нарушение равно весия о 2 / с о 2 ?
7.7. Почему человек абсолютно зависим от жизнедеятельности и разнообразия других организмов?
7.8. Что такое ноосфера и почему возникло это понятие?
7.9. Возможно ли возникновение ноосферы в результате коэволю ции человеческого общества и природной среды?
7.10. Что такое природные ресурсы?
7.11. Как классифицируются природные ресурсы?
7.12. Как формировалась кислородная атмосфера Земли?
ГЛАВА ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ Представления о роли человечества в эволюции Земли, так же как и знания о влиянии экологических факторов на жизнь и здоровье отдельного человека, сложились в основном во второй половине XX в. (см. гл. 1). Базовым положением современного экологического мировоззрения является общ ность природы человека со всеми живыми существами Земли и необходимость сохранения современной биосферы для про должения жизни человечества. Проблемы взаимодействия природы и общества рассматриваются в этой книге неоднок ратно (см. гл. 1, 7, 9, 10).
В настоящее время активно развиваются такие направле ния экологии, как экология человека и социальная экология.
Первая изучает закономерности взаимодействия человеческих обществ с окружающей природной средой, а также зависи мость здоровья и качества жизни человека от экологических факторов. Вторая посвящена динамике численности и особен ностям размещения населения на земном шаре, перспективам развития этносов и стран разных регионов Земли.
Развитие этих научных представлений имеет большое практическое значение для планирования дальнейших путей экономического и социального прогресса человечества, опреде ления причин и возможных путей преодоления современного экологического кризиса. Правильное понимание места и роли человека в биосфере необходимо для перехода человечества к сбалансированному («устойчивому») развитию (см. разд. 10.8).
Этнос — биосоциальное, эколого-социально-экономическое и исто рико-культурное единство значительной группы (популяции) людей, объективно составляющих и сознающих себя к а к единое целое и проти вопоставляющих свою общность другим подобным группам («мы» — «они»). Обычно для этноса характерна общность территории и я з ы к а.
316 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ Человек как биологический вид появился в биосфере срав нительно недавно, не более миллиона лет назад, и за столь ко роткий срок перестроил биосферу в соответствии со своими потребностями. Дальнейшая судьба человечества зависит от того, насколько оно сможет соотносить свое развитие с фунда ментальными природными законами, определяющими сущест вование всей биосферы.
8.1. Экология человека 8. 1. 1. Человек как биологический вид Человек является биосоциальным существом и в то же самое время — представителем биологического вида «Человек разумный» (Homo sapiens), принадлежащего к царству живот ных, типу хордовых, классу млекопитающих, подклассу пла центарных, отряду приматов, семейству гоминид. Другие се мейства, входящие в отряд приматов, — это понгиды — круп ные человекообразные обезьяны (орангутаны, шимпанзе, гориллы) и хилобатиды — малые человекообразные обезьяны (гиббоны).
Характерной чертой, отличающей человека от животного, является прежде всего речь, способность к которой определя ется развитием мозга, а также артикуляционного аппарата.
Речь в свою очередь является средством коммуникации, пла нирования совместных действий и, что очень важно, концеп туального мышления. Второе важнейшее отличие, связанное с первым, — это наличие крупного, сложного, хорошо разви того мозга, в котором увеличено (по сравнению с животными) не только количество нейронов, но главным образом межней ронных связей, т. е. усложнена организация всего мозга и преж де всего коры его больших полушарий.
Развитие мозга и руки дало возможность применять ору дия труда. В свою очередь все эти изменения связаны со спо собностью к прямохождению и соответствующему изменению скелета и пропорций тела человека.
Еще человека отличает от животных абстрактное мышле ние, поэтому его иногда называют «животным, создающим символы». Слово для людей является не сигналом, как для животных, а понятием. Люди способны к планированию своих действий, словесной передаче опыта, к осознанию таких по нятий, как «совесть», «вера», «красота». Кроме того, челове 8. 1. Экология человека ку, в отличие от других видов животных, характерны иные темпы онтогенеза 1, а именно удлиненные периоды эмбриоге неза 2 и детства, периода обучения и экономической, а также физиологической зависимости от взрослых.
Появление человека в биосфере было предопределено око ло 4,0 млн лет назад 3, когда произошло отделение эволюцион ной ветви предков человека. Это, по-видимому, случилось в Африке. Человек же, подобный современному, так называе мый «кроманьонский человек» появился в биосфере всего око ло 40 тыс. лет тому назад. Если представить всю историю жиз ни на Земле в масштабе суток, то можно сказать, что в природе человек появился всего за несколько секунд до полуночи. За этот краткий срок его биологические свойства не изменились, тогда как его бурная социокультурная эволюция изменила лик Земли, в итоге поставив природу под угрозу уничтожения.
Первые люди существовали под властью природы и в ее со ставе. Экологическая ниша этого вида определялась прежде всего его положением в трофических цепях. По своему поло жению в них человек является консументом (как и всякое жи вотное он — гетеротроф, а по типу своего питания — полифаг, т. е. способен питаться пищей разного рода. Многие современ ные исследователи и врачи считают, что природой человек более всего предназначен и приспособлен к потреблению рас тительной пищи — зерновых и плодов. Сейчас он занимает по ложение на вершине трофических пирамид, питаясь различ ными видами пищи.
Несмотря на свои уникальные свойства (разум, членораз дельная речь, трудовая деятельность, социальное поведение и др.), человек не лишился биологической сущности, и все за коны экологии для него справедливы полностью, как и для любого другого живого организма.
Численность первых людей была невелика и контролиро валась различными природными факторами согласно природ ной экологической нише: с одной стороны — хищниками, Онтогенез (от греч. ontos — сущее и genos — происхождение) — индивидуальное развитие особи, включая всю совокупность ее преобразо ваний от зарождения до конца ж и з н и, или «история индивидуальной ж и з н и ». Термин введен Э. Геккелем (1866).
Эмбриогенез (от греч. embryon зародыш и genos — происхожде ние) — ранний период развития особи.
Встречаются оценки от 4 до 8 млн лет, в частности, по расчетам С. П. К а п и ц ы, это произошло 4,5 млн лет назад.
318 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ паразитами, с другой стороны — конкурирующими видами че ловекообразных, внутривидовой борьбой. Кроме того, со вре менем численность человека регулировалась истощением кор мовых ресурсов. По возможностям географического распрост ранения Homo sapiens является панойкуменным видом, т. е.
способен обитать на различных участках и в различных кли матических зонах планеты, хотя как биологический вид чело век может обитать только в пределах суши экваториального пояса (в тропиках и субтропиках) до высоты 3—3,5 км над уровнем моря.
Современный человек расширил границы местообитания:
расселился во всех широтах, освоил глубины океана и косми ческое пространство. Однако за пределами первоначального ареала он может выжить не благодаря физиологической адап тации, а с помощью специальных защитных устройств и при способлений (отапливаемые жилища, одежда, кислородные приборы и т. д.). Они имитируют среду обитания человека по добно тому, как это делается для экзотических животных и растений в зоопарках, ботанических садах, океанариях. Тем не менее в отдельных случаях все экологические факторы воспроизвести не удается, как, например, гравитацию в кос мическом полете, после которого космонавтам требуется ре адаптация.
Выход человека из-под контроля среды начался примерно 10 тыс. лет назад, когда впервые появились признаки сельско го хозяйства. Именно тогда люди перестали зависеть от ресурс ной кормовой базы и начался постепенный рост их численнос ти, больший, чем предусмотрено законами биосферы.
В XIX—XX вв. проявились признаки нового мирового демографического перехода — демографического взрыва.
В 1960—1965 гг. человечество насчитывало 3,5 млрд человек, а к концу века эта цифра почти удвоилась, достигнув 6 млрд.
По прогнозам в 2007 г. нашей эры население планеты будет на считывать 7 млрд человек.
Очевидно, что биосфера как единая биологическая система обладает соответствующей емкостью и при своих природных ресурсах способна прокормить лишь ограниченное количество людей. При этом численность народонаселения, которое био сфера может прокормить, зависит и от уровня потребления людей. Обычно считают, что уровень жизни человека опреде По расчетам специализированных организаций ООН это произо шло в октябре 1999 г.
8.1. Экология человека ляется численностью населения страны, валовым националь ным продуктом (экономическим развитием страны), а также экологическим сознанием, воспитанием и культурой, т. е. ха рактером потребностей человека. Поэтому воздействовать на будущее нашего вида в биосфере возможно, не только влияя на численность народонаселения, но и изменяя сознание человече ства и каждого человека в отдельности так, чтобы люди не стре мились превысить некоторый разумный уровень потребления ресурсов биосферы и прежде всего энергетических ресурсов.
8.1.2. Полиморфизм 1 популяции человека Биологи выделяют несколько подвидов человека — ра сы: европеоидная, австрало-негроидная, монголоидная и аме риканоидная (американские индейцы).
Ряд исследователей разделяют австрало-негроидную расу на две: австралийскую и негроидную. Каждая из рас представ ляет собой морфофизиологический (структурно-функциональ ный) тип человека. Расы человека характеризуются опреде ленным телосложением, биохимической конституцией (т. е.
гормональным статусом, уровнем артериального давления, ак тивностью ферментов), предрасположенностью или устойчиво стью к определенным болезням, преобладанием некоторых психологических черт. Психофизиологический тип человека иногда называют конституцией. В каждой расе существует не сколько типов конституций, при этом частота их встречаемос ти в известной мере связана с экологическими условиями про живания конкретной расы.
8.1.3. Среда обитания человека Среду обитания человека так же, как и любого живого организма, можно подразделить на несколько условных ти пов:
• информационная среда, которую можно считать фильт ратом внешних впечатлений, поступающих в мозг, ко торые зависят от видовых особенностей рецепторов, т. е.
Полиморфизм (от греч. polymorphe — многообразный) — наличие в пределах одного вида резко отличных по облику особей, не имеющих переходных форм;
частный случай — половой диморфизм.
320 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ органов чувств. Для человека понятие информационной среды усложняется по сравнению с животными на не сколько порядков в связи с наличием большого количе ства видео- и словесной информации, т. е. того, что мы называем культурной средой;
• минимальная среда, т. е. наличие тех необходимых ре сурсов, без которых невозможна сама жизнь;
• физиологическая среда жизни, т. е. минимальная среда плюс наличие условий обеспечения некоторых более сложных потребностей, которое человек, как и любой другой живой организм, получает из среды. Это, напри мер, не просто питание, а полноценное питание или обеспечение потребности в движении и многое подоб ное;
• экологическая среда или непосредственная среда жизни (среда обитания каждого человека или группы лю дей) — самое широкое понятие. Она зависит от мно гообразных экологических связей с окружающими ор ганизмами, как непосредственно обеспечивающими по требности людей, так и с другими организмами Земли.
Таким образом, II экологическая среда — это вся природная среда.
В свою очередь среда жизни каждого отдельного человека, окружающая его как в природных экосистемах, так и в усло виях городского или сельского существования, также подраз деляется на несколько видов:
• собственно природная среда, т. е. те природные экосис темы, в которых живет данная группа людей. Этот вид среды имеет свойство самоподдержания и саморегуля ции. Человек ощущает энергетическое состояние среды, т. е. наличие определенных климатических условий, электромагнитных полей, атмосферные условия, вод ную компоненту среды, ландшафт, облик и состав био логического окружения. Кроме того, он находится под властью биологических ритмов, так или иначе связан ных не только с общебиосферными, но и с космически ми циклами;
• агротехническая среда: сельскохозяйственные угодья, культурные ландшафты, зеленые насаждения, построй ки, бульвары, сады и т. п. Этот вид среды требует уси лий человека по ее поддержанию, ибо это полуискусст 8.1. Экология человека венные агроэкосистемы. В городах и на производстве люди окружены полностью искусственной средой.
Внутреннее пространство жилищ и производственных помещений, транспорт, культурно-архитектурная сре да, среда вещей и прочее полностью созданы человеком и не могут без него существовать;
• социальная среда, в которой живет человек, его куль турно-психологическое окружение, социум и та часть информационной среды, которая по своему происхож дению связана с культурой, а не с природой.
Социальная среда вырастает из биологической среды (сооб щество, этнос, семья и т. п.), но не может быть сведена к ней.
Таким образом, социальная среда жизни человека — это сле дующий уровень организации живой материи. С позиций са мого человека качество жизни и качество среды определяются его базовыми потребностями. Однако с позиций природы каче ство жизни человечества, включая возможность его выжива ния, помимо прочего определяется возможностями природы (т. е. биосферы), в том числе саморегуляции под воздействием антропогенных факторов, к которым относятся перенаселение (демографический взрыв), антропогенное загрязнение биосфе ры, а также исчерпание ее ресурсов.
8.1.4. Биологические потребности человека Потребности человека делятся на несколько групп:
• вторичные потребности в конкретных вещах и условиях при возможности их выбора;
• псевдопотребности, т. е. потребности в предметах роско ши и следовании каким-то привычкам.
Различают также базовые и важнейшие биологические по требности человека, а также псевдопотребности.
Базовые биологические потребности. К ним, помимо пи щи, воздуха, воды, одежды и жилища, можно отнести более сложные, но необходимые для человека условия:
• состав воздуха, не приводящий к физиологическим или генетическим аномалиям и неприятным ощущениям;
11 Экология 322 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ • питьевая вода, не только не загрязненная и не угрожаю щая здоровью, но и приятная на вкус;
• сбалансированность питания, включая калорийность пищи, обеспечивающей энергетические потребности че ловеческого организма, а также наличие незаменимых элементов пищи, таких, как незаменимые аминокисло ты, витамины, жиры, белки, углеводы;
• определенные вкусовые характеристики пищи и ее без вредность, т. е. экологическая чистота;
• продолжение рода и получение сексуального удовлетво рения.
Важнейшие биологические потребности. К ним относятся:
• полноценный сон и отдых, т. е. релаксация;
• защита от заболеваний и антропогенных загрязнений;
• пространственный комфорт (определенное место в про странстве для каждого человеческого существа — жизнь без переуплотнения);
• комфорт природной (биогенной) среды, причем необхо дима именно та природная среда, к которой историче ски адаптирована данная группа людей;
• ландшафтная природная среда (определенная высота над уровнем моря, наличие или отсутствие определен ных ветров, диапазон колебаний температуры и влаж ности атмосферного воздуха и т. п.);
• подвижность и труд (гиподинамия — одна из базовых причин многих типичных болезней городского населе ния);
• информация, необходимая для здоровья и развития мозга (причем немаловажны и объем, и качество этой информации);
• биолого-социальный климат, т. е. определенное поло жение в иерархической структуре общества.
К естественным, эволюционно сложившимся потребнос тям относят и потребность в сопереживании, т. е. одной из эмоциональных основ поведения человека в социуме, а также наличие индивидуального участка в труде и жизни.
Из перечисленных потребностей видно, что многие из них на первый взгляд кажутся присущими лишь человеку, но на самом деле являются биологически обоснованными и эволю ционно сложившимися. Поэтому они свойственны не только человеку, но и другим живым существам, особенно высшим животным, родственным человеку.
8. 1. Экология человека Осознание своих истинных потребностей очень важно для человека, ибо в соответствии с ним человек выстраивает свою субъективную систему ценностей. Когда эти ценности, а также представления об успехе в жизни и о комфорте опираются на естественные потребности и стремление к их реализации, тог да гарантирован успех не только в социальной, но и в личной жизни: ощущение счастья, комфорта и т. д.
Псевдопотребности. Если биологические потребности не реализуются, то они заменяются псевдопотребностями, на пример, в агрессии или лидерстве путем агрессии, либо в пред метах роскоши. Подобная псевдокомпенсация в конечном сче :
те ведет не только к асоциальному поведению человека, но также и к нарушению многих экологических законов, т. е.
правил поведения человека в природе.
В физиологическом плане потребности человека и возмож ность их реализации тесно связаны с эмоциями, а эмоции в свою очередь являются очень важной составляющей мысли тельного процесса — интеллектуальной деятельности человека.
Эмоциональные мотивации нашей деятельности способствуют успеху обучения, запоминания, повышению работоспособнос ти как физической, так и интеллектуальной. Отрицательный эмоциональный фон, связанный с невозможностью удовлетво рить свои естественные потребности, ведет к постоянному стрессовому состоянию человека.
8.1.5. Экологические факторы и здоровье человека Понимание здоровья у людей в разные времена сущест венно различалось. Существуют следующие основные концеп ции здоровья:
• общепринятой концепцией здоровья с древних времен и по наше время считается просто отсутствие болезней.
Такое понимание здоровья бытует с начала нашей эры, и его можно встретить в работах и древних, и средневе ковых, и современных врачей;
• по биологическим представлениям здоровье — это спо собность организма сохранять гомеостатическое равно весие, т. е. устойчивость регуляционных систем орга низма;
• по определению Всемирной организации здравоохране ния (ВОЗ) здоровье — это позитивное состояние, харак 324 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ теризующее личность в целом, т. е. состояние физиче ского, духовного и социального благополучия.
Одним из главных показателей и следствий здоровья насе ления является такой социально значимый фактор, как работоспособность.
Поскольку с биологических позиций здоровье представля ет собой состояние гомеостатического равновесия, широкой адаптивности и резистентности, то современное понятие здо ровья расширяется от узкого до более широкого понимания здоровья разных видов организмов, сообществ и даже эко систем.
Рассмотрим некоторые наиболее типичные п а т о л о г и ч е с к и е с о с т о я н и я и б о л е з н и человека. Прежде все го надо отметить, что патологическое состояние в каждом от дельном организме, у каждого отдельного человека возникает чаще всего не сразу, а путем накопления усталости, некомпен сированных стрессовых состояний, т. е. того, что в медицине часто называется состоянием «предболезни». Классифицируя болезни, их можно разделить на несколько основных групп.
Наследственные болезни. Первая группа — это наследст венные заболевания, возникающие у носителей мутантных ге нов. При простом (менделевском) наследовании это наличие одного мутантного гена. Примерами таких болезней, которые вызваны мутациями (генными или хромосомными), являются синдром Дауна, появляющийся вследствие нарушений хромо сомного набора, а также фенилкетонурия — болезнь обмена веществ, следствие генной мутации, грозящая ребенку умст венной отсталостью, если он с самого рождения не получает особое (диетическое) питание. Генные мутации — причина та ких болезней, как, например, опухоль сетчатки (ретинобласто ма) и гемофилия.
Часто встречается наследственная предрасположенность к болезням как результат полигенного наследования: к язвен ным и сердечно-сосудистым заболеваниям, сахарному диабету, различным видам аллергий.
Наследственные болезни в значительной степени связаны с условиями окружающей человека среды. В частности, мута ции могут появиться в организме не только самопроизвольно, но и под действием определенных факторов среды, называе мых мутагенными. Главным мутагенным фактором среды яв ляются ионизирующие излучения (радиация). Выявлен ряд химических мутагенов, поступающих в окружающую при родную среду от многих химических производств. Мутагенное 8. 1. Экология человека действие оказывает и ряд вирусных заболеваний, делающих более изменчивой наследственность отдельного человека и вы зывающих наследственные предрасположения к патологиям.
Экопатологии. Это болезни, вызванные факторами среды.
Прежде всего, это «болезни образа жизни», связанные преиму щественно с недостаточностью или с избыточностью питания.
При недостаточном питании содержание витаминов, микро элементов, белков в пище ниже нормы, что приводит к тяже лым нарушениям здоровья. При избыточном питании развива ется ожирение, которое ведет к таким тяжелым патологиям, как диабет, рак, сердечно-сосудистые болезни. Поэтому избы ток или дисбаланс питания играет не менее губительную роль, чем его недостаток.
Важный патогенный фактор — избыток рафинированной пищи, потребляемой населением экономически развитых стран, особенно жителями городов. Излишнее потребление животных жиров, сахара, различных консервов, колбас, копченостей — все это способствует возникновению ряда системных болезней как пищеварения, так и всего организма в целом.
Среда обитания человека также является источником «стрессорных» воздействий. Это прежде всего факторы воздей ствия физического и химического стрессов. Факторы физи ческого стресса связаны с нарушениями светового, акустиче ского или вибрационного режима, а также уровня электромаг нитных излучений. Как правило, отклонение от норм этих факторов характерно для городской или производственной среды, где чаще всего и в наибольшей степени нарушаются ус ловия, к которым эволюционно адаптирован человеческий ор ганизм. Факторы химического стресса чрезвычайно многооб разны. В последние годы синтезировано более 7 тыс. различ ных веществ, ранее чуждых для биосферы, — ксенобиотиков (от греч. xenos — чужой и biote — жизнь). Редуценты в естест венных экосистемах не справляются с таким количеством чуждых веществ, для разложения которых в природе не су ществует специализированных биохимических механизмов, поэтому ксенобиотики представляют собой опасный вид за грязнений. Организм человека также не справляется с этими чужеродными искусственными веществами, ибо не имеет средств их детоксикации.
Помимо физических и химических стрессов, на человека в современном мире воздействуют стрессы перенаселения, ха рактерные для больших городов. Он попадает в многочислен ные психологические стрессовые ситуации напряженной соци 326 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ альной жизни. При этом важно, что человек сталкивается со стрессорными факторами не только в реальных ситуациях, но и в виртуальных, возникающих от избытка информации, пос тупающей благодаря телевидению, радио, при использовании персональных компьютеров. И наконец, сам характер (содер жание) поступающей информации часто приводит организм человека к стрессовым состояниям.
Понятие «стресс» было введено в медицину и в физиоло гию Г. Селье в 30-х годах XX века, который рассматривал стресс как неспецифическую реакцию человеческого организ ма, возникающую в ответ на повышенные требования среды, и дал ей определение «адаптационный синдром». Такое опре деление приемлемо для стрессов, вызванных самыми различ ными причинами, и характеризует механизмы адаптации раз нообразных живых систем. Стресс как у животных, так и у человека является неспецифической нейрогуморальной 1 ре акцией организма, осуществляемой путем мобилизации нерв ной и гуморальной систем для адаптации к предъявленным требованиям среды. Состояние стресса — важнейший фактор регулирования размножения всех живых существ, т. е. фактор регулирования численности популяций. Различают несколько фаз стресса.
• Первая фаза — фаза тревоги или мобилизации, когда нервная система, точнее рецепторы, воспринимают сиг налы из внешней среды, а нервные центры, оценив их значимость, передают команду гуморальной системе.
После сложной цепи взаимодействий выделяются «гор моны стресса» — главным образом это гормоны надпо чечников.
• Вторая фаза — фаза сопротивления, в которую далее вступает организм, когда под влиянием гормонов стрес са все органы и системы организма начинают работать в режиме повышенной активности.
• Третья фаза может протекать различными путями. Ес ли организм справился со стрессовыми воздействиями и вышел на более высокий уровень адаптивности, то это — фаза компенсации (эустресс). Повторяющиеся эустрес Гуморальная регуляция (от лат. humor — жидкость) — один из ме ханизмов координации процессов жизнедеятельности, осуществляемый через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с по мощью биологически активных веществ, среди которых важную роль иг рают гормоны.
8.1. Экология человека сы с возрастающей нагрузкой ведут к реакции трени ровки и к большей адаптированности организма. Пре одоленный стресс выводит человеческий организм на новый, более высокий уровень толерантности.
Если возникает истощение организма, зачастую приводя щее к болезни или даже к смерти, — это и с т о щ а ю щ и й с т р е с с (дистресс). Исход стресса зависит не только от харак тера и силы воздействия вызвавшего его фактора, но также и от исходного физиологического состояния организма. Чем бо лее организм устойчив (здоров и адаптивен), чем лучше все его системы сохраняют гомеостатическое равновесие, тем больше шансов на благоприятный исход стресса.
Природноочаговые заболевания (эндемические). Другой большой группой экопатологий, т. е. болезней, связанных с неблагоприятной средой, являются природноочаговые забо левания. Они вызваны тем, что человек живет либо в местнос ти, где обитают возбудители какой-либо болезни (например, клещевого энцефалита, переносимого клещами), либо в районе земного шара, имеющем геохимические или геофизические особенности.
Особенности биогеохимических провинций — крупных территорий, характеризующихся специфическими особеннос тями состава биосреды, влияют на здоровье людей, а также на видовой состав биоты. Особые биогеохимические провинции могут характеризоваться: вулканической и флюидной актив ностью геосферы;
аномалиями физических полей Земли;
тек тоническими явлениями;
явлениями выветривания или разру шения горных пород;
особенностями поступающего солнечно го излучения и биогеохимических реакций;
особым режимом изменения температуры, выпадения осадков, активности вет ров. Все это влияет на почвообразование, растительный по кров, а также на здоровье людей.
Примерами биогеохимических провинций являются внут ренняя Монголия, бассейны рек Ху-бао и Желтой. Эти местнос ти обогащены мышьяком, фтором, ионами хлора и сульфат ионами, углеводородами, органическими веществами. Харак терные эндемические болезни, возникающие в этих районах, — отравление мышьяком, флюороз и диарея. В Китае есть районы, в которых воды и почвы обогащены хромом, никелем и ванади ем. У людей в этих районах очень часто встречается рак желуд ка. Существуют значительные территории, где воды обогащены фтором. Там распространен зубной и костный флюороз. На зем ном шаре немало мест, где отмечается недостаток йода, и там 328 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ эндемическими заболеваниями являются заболевания щитовид ной железы и кретинизм. Избыток селена в окружающей среде ведет к отравлениям и зачастую к раку легких, тогда как его не достаток приводит к появлению болезни Кешана.
На территории России избыток стронция на фоне недостат ка кальция, а также интоксикация фосфором и марганцем ха рактерны для Восточной Сибири. В этом случае возникает так называемая «уровская» болезнь, т. е. артроз одновременно с деформирующим остеохондрозом. В Карело-Кольском реги оне при значительном недостатке фтора и йода в водах и почве наблюдаются повышенная заболеваемость кариесом и наруше ния функции щитовидной железы. В бассейне реки Волга, осо бенно в Мордовии, где имеется избыток фтора, чаще, чем в других местах, встречается флюороз.
Локальные участки поверхности Земли, имеющие анома лии физических полей, называются геопатогенными зонами.
С ними связано явление «геопатогенного стресса», вызываю щего учащенный пульс, повышенное артериальное давление, бессонницу, кошмары, раннюю смертность. Эти явления встре чаются в местах, где выявлены разломы литосферы, поэтому их часто связывают с наличием радона, который через разло мы выходит на поверхность из недр Земли. Известно геопато генное влияния на людей, оказываемое в сейсмоопасных райо нах, особенно перед землетрясением. Именно там возникают мощные аномалии физических полей Земли, служащие при чиной биохимических сдвигов в организме человека, а также изменений в поведении животных. У людей в таких местах возникает депрессия, изменяется формула крови, часто возни кают приступы сердечной недостаточности.
Значительный вклад в данные по геопатологии внесен науч ной школой гелиобиологии, основанной А. Л. Чижевским, ко торый впервые показал основополагающее влияние солнечной активности на различные биосферные процессы, в том числе и на изменение патогенности возбудителей различных заболева ний. Солнечная активность играет большую роль в изменениях геомагнитной обстановки на Земле. Прогнозы, построенные на основании изучения периодичности активности Солнца, имеют очень важное экологическое и медицинское значение.
Болезни старения. Крупная группа болезней и патологиче ских состояний человека связана с возрастными изменениями.
Это так называемые болезни старения: ожирение, рак, диабет, гипертония — синдромы, связанные не только с возрастом, но и с экологическими факторами. Понятие биологического воз 8.1. Экология человека раста отражает определенный комплекс морфофункциональ ных изменений организма, простым показателем которых яв ляются работоспособность и адаптивность человека, его функ циональная активность. Возрастные изменения наступают у каждого отдельного человека не только в соответствии с его астрономическим возрастом, но также в зависимости от факто ров окружающей среды. Все экопатологии ведут к преждевре менному старению, что особенно хорошо видно в местах эколо гических бедствий, экологических катастроф, в местах, где от мечены геопатологические явления.
8.1.6. Защитные системы организма человека Организм человека имеет ряд защитных систем, кото рые противостоят неблагоприятным воздействиям внешней среды, поэтому при различных экопатологиях поражаются в первую очередь.
Первой защитной системой являются кожные покровы, а также слизистые оболочки легких и пищеварительного трак та. Через них поступают различные вредные вещества, раство ренные в воде или просто находящиеся в атмосферном возду хе. Для территорий с повышенным химическим загрязнением характерны различные типы легочных заболеваний, заболева ний верхних дыхательных путей, а также разнообразные кож ные болезни.
Второй защитной системой организма является печень, об ладающая способностью детоксикации вредных веществ (и да же ядов), попавших в организм вместе с пищей. Если печень человека оказывается перегруженной токсическими вещества ми, то возникают такие тяжелые болезни, как цирроз и онко логические заболевания.
Главной защитной системой, предназначенной для защи ты целостности и здоровья организма, является иммунная сис тема. Она включает процессы и средства клеточной и гу моральной защиты от бактериальных загрязнений внешней среды и чужеродных белков, т. е. от попавших в организм бак терий и прочих возбудителей заболеваний биологического про исхождения. В случае, когда иммунная система испытывает экологический стресс, ее работа нарушается.
Заболевания иммунной системы очень характерны для на шего времени. Первая стадия таких заболеваний связана с ее 330 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ гиперчувствительностью, п р и в о д я щ е й к р а з л и ч н ы м т и п а м ал л е р г и й. Вторая стадия обусловлена и м м у н о д е ф и ц и т о м — исто щ е н и е м и м м у н н о й системы, которое ведет к тому, что ор г а н и з м к а т а с т р о ф и ч е с к и теряет сопротивляемость к л ю б ы м болезням и п о р а ж е н и я м. Чувствительность человеческого ор г а н и з м а к агрессии о к р у ж а ю щ е й среды зависит т а к ж е и от его возрастных особенностей.
8.1.7. Онтогенез человека, или этапы индивидуальной жизни Онтогенез человека делится на н е с к о л ь к о к р у п н ы х пе риодов, которые свойственны р а з в и т и ю всех многоклеточных существ и особенно в ы с ш и х ж и в о т н ы х, сходных с человеком.
Прежде всего это эмбриогенез, т. е. тот период р а з в и т и я, который проходит у человека в утробе матери под з а щ и т о й спе циального барьерного органа — плаценты. В свою очередь эмб риогенез, д л я щ и й с я 9 м е с, состоит из нескольких принци п и а л ь н ы х этапов. П е р в ы й этап связан с оплодотворением, т. е.
с самим фактом встречи родительских половых клеток. В это время зародышевые к л е т к и подвержены в л и я н и ю естественного отбора, т а к к а к далеко не все родительские к л е т к и способны к дальнейшему развитию. Второй этап, с которого начинается эмбриогенез, — это превращение одной к л е т к и — оплодотворен ного я й ц а — в многоклеточный организм (дробление). Третий этап связан с началом д и ф ф е р е н ц и а ц и и (специализации) клеток в организме и знаменуется появлением в нем трех первичных типов т к а н е й. П р и этом в зародыше происходит перемещение клеточных пластов, а затем начинается этап органогенеза, т. е.
з а к л а д к а и образование р а з л и ч н ы х органов и систем организма, характеризуемый с л о ж н ы м и я в л е н и я м и дифференциации кле ток и объединением их в структуры. К двум месяцам р а з в и т и я складывается з а щ и т н а я система материнского организма — плацента, которая в дальнейшем и питает, и з а щ и щ а е т разви в а ю щ и й с я плод. В остальные семь месяцев р а з в и т и я человека под защитой плаценты его органы приобретают функциональ ную активность и быстро растут.
З н а ч и т е л ь н ы м и д р а м а т и ч н ы м д л я человеческого организ ма я в л я е т с я появление на свет, т. е. р о д ы. Этот период т а к ж е подвержен действию естественного отбора: не все з а р о д ы ш и благополучно доходят до к о н ц а эмбриогенеза и благополучно р о ж д а ю т с я на свет. Далее наступает период детства, п е р в ы м 8. 1. Экология человека этапом которого является грудное вскармливание, когда в те чение года особенно важным для человека является фактор питания. За это время происходят большие изменения в нерв ной системе, созревают рецепторные системы (органы чувств), у ребенка закладывается интуитивный образ мира.
Следующий этап детства продолжается до шести-семи лет, когда окончательно созревает нервная система и вместе с ней способность к познанию окружающего мира. Увеличивается количество извилин в коре больших полушарий головного мозга, ребенок активно обучается, у него созревают условно рефлекторные связи, т. е. в нервных связях запечатлевается жизненный опыт. Период детства сменяется препубертатным периодом, когда начинается и постепенно на протяжении не скольких лет происходит созревание эндокринной системы, завершающееся наступлением юношеского периода, когда у под ростка созревает репродуктивная система и половые гормоны включаются в эндокринную систему регуляции организма. Та ким образом, нервная система и эндокринная система, т. е. две координирующие системы организма, окончательно созревают уже после рождения ребенка.
Все эти сложные процессы роста и созревания завершают ся в среднем к 18 годам у женщин и к 20—21 году у мужчин, после чего следует длительный репродуктивный период — пе риод мощной и согласованной работы всех систем организма.
Это период воспроизведения, размножения и наивысшей рабо тоспособности человеческого организма во всех отношениях.
После завершения репродуктивного периода (у женщин к 45—50 годам, у мужчин — несколько позже) начинается пе реход к периоду старения, в котором принято выделять не сколько стадий: климакс, пожилой возраст и долгожитель ство, начинающееся в наше время после 90 лет.
Созревание, согласованная работа и последующее старение у людей различных рас приходятся на несколько разный астро номический возраст. Вместе с тем возрастные характеристики связаны с состоянием окружающей человека среды. Ряд фак торов среды обитания способствуют как более раннему созрева нию, так и более раннему старению человеческого организма.
В онтогенезе человека, как и других живых существ, выде ляют некоторые моменты, которые принято называть «критиче скими», т. е. наиболее чувствительными к повреждающим фак торам и условиям среды. Так, первый период онтогенеза, связан ный с оплодотворением, размножением, перемещением клеток, органогенезом, безусловно, является критическим. Также и пос 332 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ле рождения переход от каждого очередного периода онтогенеза к последующему связан с изменениями в управляющих систе мах организма, следовательно, является критическим.
Все эти «чувствительные точки» являются возрастными мишенями для действия стрессорных факторов окружающей среды. По данным медицинской статистики соответствующие возрастные группы людей характеризуются повышенной забо леваемостью и смертностью.
Человеческая популяция, для того чтобы воспроизводиться полноценно, должна подвергаться воздействию фильтра — есте ственного отбора, который отметает, приводит к гибели наиме нее жизнеспособные особи. Наиболее результативно действие естественного отбора происходит именно в те моменты, которые были названы критическими периодами. В частности, из всех оплодотворенных яйцеклеток у человека до конца эмбриональ ного периода доходит не больше половины. Подверженными влиянию естественного отбора оказываются зародыши, несу щие какие-либо летальные гены, а также те или иные уродства.
Детеныши, больные из-за мутантных генов (хромосомных изменений), а также в результате нарушений развития в тече ние эмбриогенеза, нежизнеспособны в условиях дикой приро ды и, скорее всего, были бы ею «отбракованы». Однако разви тие медицины и общее повышение уровня жизни человека, особенно в XIX и XX вв., вывело человеческую популяцию из-под влияния естественного отбора, и поэтому у человечества накопился достаточно значительный генетический груз. В на ше время известно более двух тысяч наследственных болезней человека, вызванных различными мутациями.
С другой стороны, если родительские клетки не содержат мутантных генов, но в течение эмбриогенеза происходят ка кие-либо нарушения развития, то зародыш превращается в не полноценного, «дефектного» ребенка. Вещества, вызывающие нарушения эмбрионального развития и приводящие к возник новению уродств, называются тератогенами, а соответствую щий эффект — тератогенным.
Если уродства возникают в течение эмбриогенеза, то в при роде такие маленькие человеческие существа были бы нежиз неспособны. Однако современная медицина позволяет им вы жить. Такие люди, несущие уродства или мутантные гены, иногда могут давать потомство, тем самым отягощая генетиче ский груз человечества.
Все это привело к тому, что в настоящее время до 30% но ворожденных имеют те или иные отклонения либо в строении, 8. 1. Экология человека либо в функциональной деятельности различных систем орга низма, причем до 10% из них могут обладать значительными отклонениями в своей морфологии, т. е. уродствами.
Следовательно, экологическая агрессия воздействует на различные системы, функции формирования и развития чело века. Основными мишенями воздействия агрессивных факто ров среды являются: генетический аппарат, репродуктивная функция и иммунная система.
Генетический аппарат. Воздействие непосредственно на генетический аппарат — гены, хромосомы, ДНК половых кле ток приводит к мутагенному эффекту, что^. характерно для ра диационного воздействия. '' Канцерогенный эффект может возникать, когда различ ные изменения в ДНК происходят не в половых, а в других клетках организма. При этом трансформация различных тка ней и клеток в опухолевые может происходить под влиянием не только радиации, но и ряда химических веществ.
Токсические воздействия могут вызвать тератогенный эф фект, т. е. возникновение уродства у плода вследствие наруше ний в процессе развития, или же эмбриотоксический эффект, т. е. врожденные изменения и болезни, не связанные с появле нием уродств, но ведущие к тяжелым функциональным пора жениям, например, нервной системы. Они часто вызываются алкоголем и вирусными заболеваниями.
Репродуктивная функция. В результате действия различ ных повреждающих факторов среды может нарушаться также репродуктивная функция мужчин и женщин. Так, в Москве в настоящее время на 50% выросло количество бесплодных мужчин и значительно увеличилось количество страдающих бесплодием женщин. Изменения в репродуктивной функции связаны не только с химическим воздействием на половые железы, но также могут быть и результатом стресса, недоста точности или извращения питания, а также следствием повреж дений на различных этапах матричного синтеза в клетках, вы зываемых некоторыми антибиотиками и лекарственными пре паратами.
Иммунная система. Мишенью действия токсичной среды является также иммунная система, чувствительность которой повышается при действии пестицидов, промышленной пыли и других техногенных факторов.
Метаболизм. Метаболизм человека — важная мишень ток сического влияния техногенной среды. Прежде всего происхо 334 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ дит поражение печени тяжелыми металлами, алкоголем, ин фекционной патологией, некоторыми вирусами.
Нервная система. Нервная система — серьезная мишень техногенного воздействия. Воздействие на центральную нерв ную систему ведет к болезням, которые называют неврозами, а также страдает вегетативная нервная система и рецепторы.
В частности, рецепторы (органы чувств человека) могут сильно повреждаться такими факторами среды, как изменение свето вого режима, вибрации, шумовые перегрузки и др.
Воздействие стрессоров 1 на человека вызывает эффект на пряжения и перенапряжения и может привести к дистрессу.
В зависимости от исходного состояния человека при дистрессе возможны самые разнообразные последствия.
Желудочно-кишечный тракт. Мишенью агрессивного дей ствия среды является микрофлора, на которую воздействуют различные отравляющие вещества, содержащиеся непосредст венно в пище или в воде, в результате чего возникает очень тя желая и достаточно распространенная в наше время болезнь — дисбактериоз.
8.1.8. Адаптация к экстремальным условиям Вид Homo sapiens характеризуется широкими спо собностями к адаптации и полиморфизмом (разнообразием в проявлении внешних признаков). Это позволило людям рас селиться по всему земному шару, освоив различные климати ческие зоны, географо-биологические условия и приспособив шись к различным диетам 2.
С генетических позиций это означает, что человек облада ет широкой «нормой реакции» многих генетических свойств.
Автор концепции «нормы реакции» (Ф. Добржанский) опреде лил ее как «полный спектр, весь репертуар различных путей развития, которые могут выявиться у носителей данного гено типа в любой среде».
Природные экосистемы, в которых живут отдельные попу ляции людей, многообразны. Исторически сложившиеся попу ляции, приспособленные к определенным природным услови ям, условно называют экотипами. Представители различных Стрессоры — разнообразные факторы, вызывающие стресс.
Диета (от греч. diaita — образ ж и з н и, режим) — определенный ре ж и м питания.
8. 1. Экология человека экотипов отличаются телосложением, типом лицевого скеле та, цветом кожи и волос, пищевыми адаптациями и энергети ческим балансом, иммунитетом к определенным заболевани ям, а также скоростью роста и развития. Резкая перемена ус ловий обитания для представителей любого экотипа означает стрессовую, а часто даже экстремальную ситуацию. Наиболее крупные адаптивные типы (экотипы): арктический, тропиче ский, аридный (обитатели пустынь), высокогорный, средизем номорский, среднеевропейский.
Типы географо-биологической среды обитания, опреде ляющие экотипы человека, соответствуют основным климати ческим зонам. Для каждого типа среды обитания, как пра вило, характерен определенный тип хозяйственного уклада людей. Наибольшая населенность, развитие городов, совре менный уклад жизни и хозяйства более всего характерны для зон смешанных лесов умеренного климатического пояса, а так же для зоны тропических лесов и степей. В этих зонах сосре доточено 79% населения Земли. Еще 12% людей обитают в горных районах, а остальные климатические зоны заселены слабо. Возникновению древнейших цивилизаций на Ближнем Востоке способствовал комплекс благоприятных экологиче ских условий, а именно: обилие воды, плодородные почвы, речные транспортные пути, благоприятный климат в долинах рек Египта и Месопотамии.
Экстремальными условиями для отдельного человека яв ляются любые резкие изменения в образе жизни, а опасными для жизни — условия, адаптация к которым невозможна (т. е.
выходит за пределы физиологической толерантности, видовой генетической нормы реакции). Причем адаптационные воз можности организма человека определяются не только физио логическими, но и социальными условиями и факторами.
Наиболее комплексный показатель индивидуальной адапта ции человека к условиям среды — его работоспособность и об щий жизненный тонус, которые отражают сложные взаимо действия гормонального статуса, состояния нервной, иммун ной и других физиологических систем организма, а также и свойства личности (т. е. совокупности социальных, интел лектуальных, эмоциональных и духовных черт человека).
Экстремальные ситуации, связанные с питанием и энер гетическим обменом. Энергия, получаемая человеком из пи щи, необходима для поддержания обмена веществ, в том числе для поддержания постоянной температуры тела в состоянии покоя или основного обмена, а также для всех видов деятель 336 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ ности, роста и размножения. Регулирование общего энергети ческого баланса взрослого человека, исключающее резкие ко лебания веса тела, осуществляется нервной и эндокринной системами. Пользуясь специальными таблицами, можно для разных видов деятельности и с учетом возраста рассчитать не обходимый расход энергии, в соответствии с которым соста вить пищевой рацион1.
Далее в нем следует сбалансировать содержание белков, жиров, углеводов, витаминов и микроэлементов, а также воды.
Основной обмен энергии взрослого человека составляет около 300 кДж/ч, энергетические затраты горожанина при обычной деятельности — около 450 кДж/ч, а при тяжелой ра боте — до 2000 к Дж/ч. В среднем энергетические траты чело века принимают равными 8500—12 500 кДж/сут. В прими тивных обществах в связи с тяжелым трудом и большей зави симостью от внешних температурных условий затраты энергии у людей выше.
Болезни, связанные с различными видами недостаточнос ти питания, распределены на земном шаре по зонам. Там, где в избытке потребляются углеводы и в пище недостаточно бел ков, наблюдается болезнь квашиоркор (белковое голодание).
Общий недостаток калорийности пищи зачастую ведет к слабо умию (маразму). В некоторых районах Земли часты заболева ния щитовидной железы, связанные с недостатком в природ ной среде йода. Авитаминоз А и связанные с ним нарушения зрения и болезни кожи возникают при недостатке в рационе жиров. Недостаточность витаминов группы В — причина тя желых заболеваний нервной системы, а витамина С — причи на снижения иммунитета и цинги. Недостаток никотиновой кислоты вызывает пеллагру. В целом выделяют три группы сообществ людей, которым преимущественно характерны:
1) белковая диета — сообщества охотников и пастухов;
2) углеводная диета — сообщества земледельцев;
3) смешанная диета — цивилизованные сообщества.
Первой группе сообществ присущи болезни, связанные с не достатком углеводов и ряда микроэлементов, второй группе — авитаминозы, связанные с однообразием растительной пищи (преобладанием какой-либо зерновой культуры и недостатком зелени и фруктов), а также белковое голодание и общее исто щение из-за низкой калорийности пищи. Современные горо Рацион (от лат. ratio — расчет, мера) — суточная норма, порция пищи определенного состава на известный срок.
8.2. Экология человечества жане страдают болезнями от избытка калорийности, несбалан сированности питания, недостатка овощей, фруктов и других видов свежих натуральных (неконсервированных) продуктов.
Естественные для названных групп людей различия в росте, телосложении и весе также во многом определяются особен ностями питания.
Климатическая адаптация. Определенная доля энергии затрачивается организмом человека на поддержание постоян ства температуры тела. В отличие от других теплокровных жи вотных человек дополнительно использует культурные и соци альные приспособления: жилье, одежду, системы отопления, вентиляции, кондиционирования и т. д. Благодаря этому сооб щества человека успешно выживают в экстремальных клима тических условиях.
Способность людей разных экотипов к акклиматизации (длительной адаптации) к высоким и низким температурам различна. В среднем акклиматизация к теплу происходит бы стрее, чем к холоду, так как связана со скоростью изменения основного обмена. Акклиматизация к холоду зависит от пита ния, в частности, от содержания в диете белков и жиров. При этом у людей, как и у животных, образуется подкожный жи ровой теплоизолирующий слой.
Изучение температурных границ организма человека при выполнении различных видов квалифицированной работы по казало, что при достижении верхней границы температурного оптимума для человека (27—28 °С) эффективность работы сни жается, а число ошибок возрастает. При более высокой темпе ратуре нарушается сон. Нижней границей температурного оп тимума является +18 °С. Установлено, что при температуре ниже +13 °С несчастные случаи на производстве происходят на 34% чаще, чем при +18 °С.
8.2. Экология человечества 8.2.1. Популяционные характеристики Человечество, как и всякую популяцию живых орга низмов, характеризуют статистические характеристики (чис ленность, плотность, пространственная структура, половой и возрастной состав), а также динамические характеристики (рождаемость, смертность, миграционная активность, ско рость роста, продолжительность жизни, кривые выживания).
338 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ Для человеческой популяции также существуют лимитирую щие факторы. С одной стороны, это — ограничения распрост ранения популяции в пространстве, а с другой стороны, — ли миты и регуляция численности населения.
За время своего существования человечество прошло путь от популяции первобытных людей, зависимых от природы и нахо дящихся под прессом естественного отбора, до современного че ловечества, обладающего всеми средствами медицины и техноло гической цивилизации;
при этом и численность, и лимитирую щие ее факторы также претерпели значительные изменения.
Численность популяций древнего человека в досельскохо зяйственную эпоху подвергалась регулированию (см. разд. 5.1) «сверху» — хищниками и паразитами, «со стороны» — конку рирующими видами, «изнутри» — каннибализмом, войнами, инфантицидом (умерщвлением детей) и, наконец, «снизу» — истощением ресурсов. По мере развития цивилизации все большее значение для регуляции численности человечества приобретает фактор истощения ресурсов.
8. 2. 1. 1. Особенности пространственной с т р у к т у р ы. Урбанизация Первые популяции людей на Земле, жившие собира тельством и охотой, были более или менее равномерно распре делены в пространстве. Они представляли собой группы людей, разбросанные между широтами северной Африки и южной Ев ропы. Затем постепенно, в Средние века, начался процесс урба низации1, который особенно интенсивно идет в наше время.
Если до 1900 г. в городах жило всего около 14% населе ния, то в конце XX в. массовая урбанизация стала определять характер распределения человеческой популяции на Земле.
При этом существенную роль играют три демографических процесса: миграция из сельских районов в город;
естествен ный прирост городского населения;
превращение сельских районов в города.
В наши дни в городах живет примерно половина населения Земли (рис. 8.1). При сохранении таких демографических тен денций в ближайшие годы число горожан в мире удвоится че рез 20—30 лет. Рост городов в настоящее время характерен преимущественно для стран третьего мира (три из пяти горо Урбанизация (от лат. urbanus — городской) — процесс сосредото чения населения и экономической жизни в крупных городах.
8.2. Экология человечества Рис. 8.1. Рост городского населения в конце XX в.
по данным UNDP (см. разд. 10.7.2) дов с населением около 15 млн чел. находятся в развивающих ся странах). Только очень небольшая часть человечества засе ляет многочисленные северные и экваториальные земли, где плотность населения гораздо меньше.
Урбанизация вызывает следующие проблемы:
• изменения в природных экосистемах;
• изменения в образе жизни, здоровье и психологии чело века;
• региональные геоэкологические проблемы (например, изменение климата).
Зависимость городов от обеспечения извне продовольстви ем, водой, энергоресурсами, необходимость систематического изъятия отходов, рекультивации земель, организации рекре ационных зеленых зон как с целью очищения воздушных и водных масс, так и с целью организации оздоровления и от дыха горожан постоянно увеличивается.
В последние десятилетия из-за роста уровня загрязненнос ти городской среды сложилась тенденция «расползания» горо дов и образования мегаполисов, выражающаяся в образова нии кольца спальных районов в зеленой зоне и в развитии Мегаполис или мега(ло)полис (от греч. megas — большой и polls — город) — «сверхгород», гигантский город, образовавшийся в результате роста и фактического слияния многих городов и населенных пунктов.
340 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ «челночного» автотранспорта, доставляющего горожан к мес там работы в центре и обратно. Все это ведет к усилению за грязнения и разрушения природных экосистем.
Мегаполисы представляют собой искусственную среду оби тания человека, имеющую свои особые лимитирующие факторы в развитии и росте человеческой популяции. Современный город является неустойчивой экосистемой с преобладанием гетерот рофных звеньев пищевых цепей. Городская среда для поддержа ния экосистемы нуждается в постоянной заботе человека. Жи вотный мир города достаточно разнообразен, однако не является природным зооценозом и не имеет способности к саморегуляции.
Животные города представлены в основном синантропны ми видами: крысами, мышами, тараканами, воронами, одичав шими кошками и собаками, Э. ТЭ.К2К6 разнообразными домаш ними животными. На окраинах города прикармливают и та ких животных, как белки, зайцы, лисы, многие виды птиц.
Почвенные биоценозы города сильно загрязнены, почвы пере уплотнены, неплодородны, нуждаются в рекультивации.
Стихийное развитие городов также таит в себе много опас ностей и для горожан, ибо до последнего времени планирование городского хозяйства велось без учета экологических факторов и их влияния на здоровье и благополучие человека. Большин ство проблем, связанных с экологией человека в городе, имеют санитарно-гигиенические, социальные и психологические кор ни, так или иначе связанные с перенаселением и всеми видами загрязнения среды обитания. Городская среда, с одной сторо ны, предоставляя человеку комфорт, лишает его необходимых факторов физиологической тренировки, а с другой стороны, она щедра на стрессовые воздействия. Химические, физические, социально-психологические, информационные стрессы созда ют постоянный источник опасности для физического и психи ческого благополучия современного горожанина.
Рассматривая комплекс проблем, связанных с урбанизацией и прогнозом развития человечества, С П. Курдюмов и С. П. Ка пица предложили математическую модель, по которой опреде лили оптимальную величину населения города — 300 тыс. чел.
В результате они пришли к выводу, что одним из условий выжи вания человечества должно быть его рассредоточение по Земле.
Вблизи города, помимо сельскохозяйственных террито рий, должны создаваться рекреационные1 зеленые зоны для Рекреация — отдых, восстановление сил, потраченных в процессе труда.
8.2. Экология человечества спорта и отдыха людей, а также заповедные участки нетрону той природы. Необходимое условие здоровой городской среды — большое количество зеленых насаждений. Важнейшее значе ние имеет также рациональное управление отходами.
8.2.1.2. Развитые и развивающиеся страны Современному миру характерно огромное экономиче ское неравенство людей, живущих на планете. На рис. 8. приведена диаграмма распределения доходов в мире, при по строении которой все население Земли сгруппировано по вели чине доходов и разделено на пять равных частей. На диаграм ме показано, что 20% самых богатых людей обладают 82,7% мирового богатства, а 20% самых бедных людей — лишь 1,4% Рис. 8.2. Распределение доходов и экономическое неравенство в мире по данным UNDP (United Nations Development Program) — программы ООН по развитию 342 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ мирового богатства. Различие значительно, и оно продолжает экспоненциально увеличиваться.
Социальная стратификация людей в конце второго тысяче летия сопровождается столь же резким делением государств на две большие группы, которые развиваются и растут по раз личным законам — это экономически развитые и развиваю щиеся страны, условно называемые в документах ООН страна ми Севера и Юга.
В странах с развитой экономикой период экспоненциаль ного роста численности населения закончился. Он происходил в основном в конце XIX — начале XX вв. Анализ возрастных пирамид, т. е. распределения численности населения по 10-лет ним возрастным группам (рис. 8.3) показывает, что они иногда имеют слегка расширенное основание из-за небольшой младен ческой смертности. Заметное сужение пирамиды (т. е. умень шение численности населения) начинается на уровне старше 50—60 лет, а активное возрастание смертности происходит лишь после 70—80 лет. Основные показатели человеческой по пуляции, ее состояния и здоровья для основных стран мира приведены в табл. 8.1.
Таблица 8. Возрастные характеристики населения по странам по М. Л. Леви и М. Буше Младенческая Средняя ожидае Валовой внут мая продолжитель смертность, ренний про ность жизни, лет на 1 тыс.
Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.