Допустимые воздействия и пределы устойчивости биосферы

В понимании происходящих сейчас глобальных изменений экологической обстановки большое место отводится биоте – системе живых организмов Земли. Ей принадлежит важнейшая роль в биосфере. Биота участвует в формировании атмосферы Земли, экосистемы Мирового океана, горных пород, почвы, является ключевым фактором в биогеохимических циклах углерода, воды, азота, фосфора, серы и других соединений. Биота обеспечивает продуктивность экосистем и является основой жизни человека.

Одним из основных факторов, угрожающих стабильности глобальной экосистемы и биосферы вследствие роста потребления, является рост народонаселения Земли. Согласно экологическим законам, в популяции существует некий оптимальный уровень численности, который соответствует экологическому балансу (состоянию устойчивости) в экосистеме. Превышение оптимальной численности создает неблагоприятные условия для отдельной особи, начинает действовать конкуренция за лимитирующие факторы. До какого-то предела действует механизм естественной регуляции, который направлен на поддержание оптимального уровня. Когда этот предел превышен, ситуация становится нерегулируемой, нарушается устойчивость популяции и ее роль в экосистеме изменяется. Эти же взаимодействия, по-видимому, имеют место и в человеческой популяции.

По мнению некоторых экологов, важная роль, которую играет биота и биосфера в глобальных процессах, все еще недооценивается специалистами. В связи с приростом концентрации двуокиси углерода в атмосфере, прогнозируется катастрофические последствия парникового эффекта. Между тем известно, что фактический прирост концентрации двуокиси углерода не столь велик, как предсказывают на основе вычислений. Это объясняется тем, что огромные количества двуокиси углерода, который выбрасывается в атмосферу, ассимилируется биосферой. Функции биосферы, как резервуара углерода, может гарантировать экологическую безопасность в будущем. Есть основания предполагать, что биосфера – единственная биота и взаимодействующая с ней окружающая среда – являются именно той системой на Земле, которая позволит сохранить устойчивость среды обитания при любых возмущениях.

Большой вклад в представления о пределах допустимого воздействия на биосферу вносит теория биологической регуляции, которая разработана В.Г. Горшковым. На основании расчета ряда параметров, характеризующих биогеохимические круговороты (воды, углерода, биологических показателей и др.), автор приходит к выводу о том, что биота с момента своего возникновения на Земле не только адаптировалась к окружающей среде, но и оказывала на нее мощное формирующее влияние. В результате взаимодействия с окружающей средой сформировалась биосфера, причем путем подстройки потоков биогентов обеспечивается точность регулирования всех параметров, существенных для биоты, в достаточно большом, но не бесконечном диапазоне вариации возмущений. В число параметров входит климат, атмосфера, почва, поверхность воды и суши и воды Мирового океана.

Химическое изменение окружающей среды под действием процессов, происходящих в земных недрах, несбалансированны. Несмотря на относительно низкую скорость химических изменений, на протяжении длительного периода они могут бить значительными. Например, неорганический углерод поступает в окружающую среду со скоростью около 10^-2 Гт в год, а запас неорганического углерода в атмосфере составляет около 10³ Гт. Отсюда следует, что геофизические процессы за 100 тыс. лет приведут к 100 % изменению массы углерода в окружающей среде, а за 1 млн. лет могут сделать Землю полностью непригодной для жизни.

Процессы жизнедеятельности обуславливают увеличение скорости химического изменения окружающей среды на 4 порядка по сравнению со скоростью изменения окружающей среды под действием процессов в земных недрах. Это связано с синтезом органических веществ из неорганических со средне глобальной скоростью 100 Гт в год. Общий запас органического углерода равен примерно запасу неорганического. Биологический синтез органического вещества компенсируется его разложением. Наблюдаемая неизменность порядка величин в содержании неорганического углерода в окружающей среде на протяжении примерно 100 тыс. лет указывает на то, что биологический синтез и разложение органического вещества соответствуют друг другу. При этом захоронение органического углерода в осадочных породах, которое контролируется биотой, является важнейшим механизмом стабильности окружающей среды. Регулирующая роль биоты обеспечивается весьма устойчивой внутренней структурой, которая может быть описана параметрами биомассы, потока энергии и биогенов для различных групп живых организмов. В.Г. Горшков называет это законом устойчивости биосферы.

Согласно принципу Ле Шателье, который характеризует устойчивость любой системы, скорость поглощения углерода биотой, при малых относительных возмущениях, должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в окружающей вреде по отношению к исходному состоянию. В начале ХХ века биота суши перестала справляться с излишком углерода в атмосфере и, наоборот, сама стала выбрасывать в атмосферу, увеличивая ее загрязнение. Это указывает, что функции биоты в глобальном масштабе сейчас нарушены. Современные глобальные изменения являются следствием разрушения компенсационных механизмов биоты, а не просто воздействием человека на окружающую среду. Разрушение компенсационных механизмов происходит в результате допустимого предела возмущения биоты хозяйственной деятельностью человека. Расчеты позволили определить порог устойчивости (допустимого возмущения) биосферы: биота сохраняет способность контролировать условия окружающей среды, если человек в ходе своей деятельности использует не более 1 % чистой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна перераспределиться между видами, выполняющими функции стабилизации окружающей среды.

Однако стабильность атмосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. На это, в частности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природной среды в среднем на 1 % выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так все крупные природные явления на Земле (извержения вулканов, мощные циклоны, и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % энергии солнечного излучения, падающего на поверхность Земли.

Ценность теории биотического регулирования определяется тем, что она позволила определить порог устойчивости биосферы и подойти к количественной характеристики пределов устойчивости, превышение которых нарушает устойчивость биоты и среды ее обитания. Согласно этой биосферной концепции порог допустимого воздействия уже превышен. Для стабилизации глобальных изменений (прежде всего выбросов углерода) необходимо сократить площадь нарушенных земель с 61 % до 38 %.