Продуктивность Биосферы и их использование человеком

Классификация ресурсов

Природные богатства Земли, в первую очередь Биосферы, - основа существования человеческой цивилизации на нынешнем этапе ее развития. Без них человечество существовать пока не может. Космические корабли и орбитальные станции формально находятся за пределами нашей планеты, однако используемые их экипажами кислород, вода и продукты питания регулярно доставляются с Земли. Поэтому они являются лишь крошечными фрагментами земной Биосферы, временно заброшенными в Космос.

Для своего существования человеческой цивилизации необходимы ресурсы.

Ресурсы - любые источники и предпосылки получения необходимых людям материальных и духовных благ, которые можно реализовать при существующих технологиях и социально-экономических отношениях.

Например, природные запасы радиоактивных элементов стали ресурсами только в середине XX столетия, когда люди научились их использовать для производства атомного оружия и получения электрической энергии на АЭС.

Абсолютное большинство ресурсов человек получает из различных оболочек Земли - литосферы, атмосферы, гидросферы и Биосферы. Однако один из важнейших ресурсов, обуславливающий существование жизни на Земле, - солнечная энергия, поступает из Космоса.

Ресурсы подразделяются на:

1. Естественные ресурсы -биологические ресурсы (растительный и животный мир Биосферы), запасы полезных ископаемых, воды, атмосферых газов, солнечный свет, климатические ресурсы (температура, влажность, ветер и т.д.), ресурсы гравитационного поля - энергия приливов и отливов, текущих рек и водопадов.

2. Материальные ресурсы -всесозданные человеком материальные объекты - здания, сооружения, машины, механизмы, предметы и т.п.

3. Человеческие ресурсы - трудовые ресурсы (количество трудоспособного населения), мобилизационные ресурсы (количество населения, котороеможно призвать на военную службу), уровень образования населения, уровень развития науки и техники.

Ресурсы можно подразделить также на:

1. Ресурсы неисчерпаемые, использование которых не снижает их запасов - солнечная энергия, энергия гравитационного поля, климатические ресурсы и т.п.

2. Ресурсы исчерпаемые, использование которых приводит к снижению их запасов. Они, в свою очередь, подразделяются на:

2а. Ресурсы возобновляемые, которые, исходя из свой природы, способны к самовоспроизведению. Это, в первую очередь, ресурсы Биосферы, то есть все виды живых организмов, которые воспроизводят себя в процессе размножения, а также продукты их жизнедеятельности (они также называются биологические ресурсы), все материальные и человеческие ресурсы.

2б. Ресурсы невозобновляемые, к которым, в первую очередь, относятся запасы полезных ископаемых.

Различия между этими группами ресурсов не являются абсолютными. Например, неисчерпаемость солнечной энергии можно рассматривать лишь во временных рамках существования человеческой цивилизации. По оценкам специалистов, запасов водорода на Солнце хватит для поддержания его нынешнего состояния еще в течении приблизительно 4 миллиардов лет.

Возобновляемость биологических ресурсов также относительна. Например, при умеренной добыче какого-либо промыслового вида животных, его можно использовать в течение неопределенно долгого времени. Однако если в результате неконтролируемого промысла этот вид будет истреблен, восстановить его окажется уже невозможно.

С другой стороны, на Земле в результате естественных процессов круговорота веществ идет постоянное пополнение запасов полезных ископаемых, напр., образование торфа и превращение его в бурый уголь, осаждение металлов и других веществ из океанических вод на дно и т.п. Однако величины добычи полезных ископаемых значительно превышают их восполнение.

Отсюда одной из важнейших условий дальнейшего существования человечества является рациональное использование природных ресурсов.

Ресурсы делятся также на:1. Ресурсы заменимые, т.е. такие, которые могут быть заменены другими. Например, для получения электрической энергии можно использовать минеральные ресурсы - уголь, нефть, газ, древесину, энергию падающей воды, Солнца, атомного топлива.

2. Ресурсы незаменимые, которые другими ресурсами заменены быть не могут. Напр., для дыхания абсолютному большинству живых организмов на Земле необходим кислород, который невозможно заменить никаким другим газом.

Интенсификация сельскохозяйственного производства. Выходом из сложившейся ситуации на первый взгляд является повышение продуктивности сельскохозяйственного производства. Урожайность сельскохозяйственных культур в высокоразвитых государствах в 3-5 раз выше, чем в развивающихся странах, даже со средним уровнем развитием экономики.

В таблице представлена средняя урожайность важнейших сельскохозяйственных культур в ряде высокоразвитых (США, Нидерланды, Япония) и государств со средним уровнем экономического развития (Индия, Индонезия, Куба).

Культура	Высокоразвитые государства	Среднеразвитые государства
Пшеница, ц/га
Кукуруза, ц/га
Рис, ц/га
Картофель, ц/га
Соевые бобы, ц/га
Сахарный тростник, ц/га
Сахарная, свекла, ц/га

Урожайность в высокоразвитых странах в 3-5 раз выше, чем в развивающихся; поэтому на первый взгляд решение проблемы мирового голода лежит в подъеме урожайности в слаборазвитых странах до уровня передовых государств. С этой целью в 1960 годах начала осуществляться специальная программа ООН, получившая название «зеленая революция».

В высокоразвитых странах (США и др.), был выведен ряд высокоурожайных сортов риса, бобовых и др., способных давать высокие урожаи в условиях тропической Африки и Азии. Семена этих сортов были безвозмездно переданы слаборазвитым странам. Были предприняты большие усилия по обучению крестьян (насколько это оказалось возможным) современным технологиям ведения сельского хозяйства.

Однако это не привело к решению проблемы мирового голода. Оказалось, что высокие урожаи эти «чудесные сорта» способны давать только при использовании большого количества удобрений, пестицидов, сложной и разнообразной техники, строжайшем соблюдении технологии. Для этого необходимы были значительные капиталовложения покупку топлива и машин,

Создание необходимой инфраструктуры и т.д. Интересно, что в Индии «чудесные сорта» риса давали даже меньшие урожаи, чем местные сорта, которые не требовали большого количества удобрений и пестицидов.

В конечной итоге от «зеленой революции» богатые страны выиграли гораздо больше, чем бедные. Сейчас основное количество пищевых продуктов в мире производится в небольшой группе высокоразвитых стран (США, Канада, Западная Европа, Австралия, Япония), население которых составляет менее 25% всего населения Земли («золотой миллиард»). Развивающиеся страны, где проживает свыше 70 % ее населения, часто не имеют финансовых возможностей купить излишки продовольствия, что часто приводит к голоду.

Однако высокий уровень развития сельского хозяйства в развитых странах определяется не естественной продуктивностью Биосферы, а использованием дополнительных источников энергии. Если в начале 20 века на одну единицу энергии сельскохозяйственной продукции в США и Западной Европе затрачивалась 1 единица вложенной энергии (энергия топлива, стоимость удобрений, ядохимикатов, машин и механизмов, оплата персонала и т.д.), то к концу 20 века это соотношение увеличилось до 12-15. При этом реальная продукция сельского хозяйства (в единицах веса) увеличилась только в 2-2,5 раза.

Интересно проследить соотношение между затратами энергии, вложенными с сельское хозяйство, с энергией, заключенной в полученном урожае в государствах с разных уровнем развития:

Государство	Тип сельскохозяйственного производства	Соотношение
Конго	Подсечно-огневое земледелие, ручной труд	1: 65
Папуа-Новая Гвинея	Огороды, ручной труд с использованием домашних животных	1: 20
Нигерия	Возделывание кукурузы, ручной труд с применением удобрений	1: 10
Филиппины	Возделывание кукурузы с ограниченным использованием сельскохозяйственных машин	1: 5
США	Возделывание кукурузы, высоко механизированное сельское хозяйство	1: 2,5
Высокоразвитые страны	Сельское хозяйство в целом (включая животноводство)	10: 1

Примитивное на первый взгляд земледелие тропических народов Азии, Африки и Австралии гораздо эффективнее с энергетической точки зрения, чем высоко механизированное и затратное сельское хозяйство высокоразвитых государств. Оно идеально вписано в окружающую среду и практически не наносит ей ущерба. Поэтому традиционные земледельческие общества туземных народов стабильно существовали в течение многих тысячелетий.

Напротив, расточительное с энергетической точки зрения сельское хозяйство высокоразвитых стран существует преимущественно за счет энергии, органических полезных ископаемых (накопленной в Биосфере в предыдущие геологические эпохи) не имеет далекой исторической перспективы. Оно приводит к обострению энергетического и экологического кризиса на планете.

Более рациональное использование естественной продуктивности Биосферы.

Добыча морепродуктов и нетрадиционных продуктов питания. Ранее считалось, что Мировой океан невероятно продуктивен, а его пищевые ресурсы неисчерпаемы, поэтому он сможет прокормить растущее человечество. Однако выяснилось, что продуктивность океанов и морей (за исключением шельфовых зон и коралловых рифов) сравнима с продуктивностью пустынь. Ежегодный прирост рыбы и морепродуктов (киты, кальмары, ракообразные) в океанах и морях оценивается в 200 миллионов тонн, а их ежегодная добыча составляет 60 – 70 миллионов тонн. Считается, что эта величина близка к критической, а ее превышение подорвет запасы рыбы, как это произошло с китами.

Отсюда введение квот на добычу рыбы и китов, установление 200-мильных экономических зон, «тресковые войны» и т.д. Однако возможно увеличить добычу моллюсков, криля, до уровня, не подрывающего их запасов.

Можно использовать запасы крупных морских водорослей – агара, ламинарии и т.д.

На суше использовать такие нетрадиционный источники питания, как «кустарниковое мясо» (в Африке, мелкие грызуны, насекомоядные), лягушек, улиток. Часть их можно выращивать в культуре на остатках корма.

Разведение организмов более низких трофических уровней. Сейчас достаточно широко используется выращивание одноклеточных водорослей (хлорелла) и бактерий на органических субстратах на корм скоту. Возможно расширение разведения беспозвоночных (устрицы, мидии, растительноядные рыбы), использующих энергию первого трофического уровня. У них соотношением между энергией прироста массы тела и тратами на дыхание составляет не 1:10, как у млекопитающих и птиц, а 1:3 – 1:4. Прирост массы тела у них на единицу потребленной пищи у них в 2-3 раза выше, чем у млекопитающих, при этом, а энергия, заключенная в автотрофных организмах они используют без промежуточных звеньев..

Снижение численности домашнего скота, замена животных белков растительными. Например, в сое содержится до 25% белков. Ее в США широко используют для изготовления «растительного мяса», которое ароматизируют специальными добавками, придающими ему вкус настоящего мяса.

Методы генной инженерии. Внедрение генов, ответственных за фиксацию азота в неазотфиксирующие бактерии и даже в геном сельскохозяйственных культур. Механизм фиксации азота у разных видов нитрификаторов (бактерии, сине-зеленые водоросли) контролирует небольшая группа компактно расположенных генов (nif-система). Ее структура у разных видов практически одинакова. Некоторые вирусы способны отрывать nif-систему от молекулы ДНК азотфиксирующей бактерии и присоединять ее к ДНК других видов бактерий (горизонтальный перенос генов). Предполагается, что эта система возникла сравнительно недавно у одного какого-нибудь вида бактерий, а затем посредством бактерий была перенесена в другие виды бактерий и сине-зеленых водорослей.

Таким способом в эксперименте nif-система была включена в молекулу ДНК кишечной палочки человека, которая приобрела способность фиксировать азот. Изучаются возможности включения nif-системы даже в геном культурных растений, однако эта проблема еще далека от разрешения. Решение этих проблем позволило бы снизить энергоемкое производство азотных удобрений.

Однако методы генной инженерии и получение трансгенных видов живых организмов вызывает серьезные опасения в обществе, поскольку неизвестно, какое влияние чужеродные гены могут оказать на весь генотип и фенотип организма. Хотя достоверных фактов вредного воздействия таких организмов на человека не выявлено, основания для опасения остаются.

Более простым способом и безопасным способом, вероятно, является выведение штаммов азотфиксирующих бактерий, способных поселяться на корнях хозяйственно ценных культур – злаковых, пасленовых, крестоцветных.

Изучаются возможности снижения так называемого фотодыхания и увеличения энергетического КПД фотосинтеза растений с 1-2% хотя бы до 5%. Это что могло 3-5 кратный прирост первичной продукции Биосферы и, казалось бы, решить многие проблемы человечества. Однако образовавшиеся излишки органического вещества неизбежно будут потребляться гетеротрофными организмами и (или) разлагаться редуцентами. В конечном итоге вся энергия химических связей, находящаяся в органических продуктах фотосинтеза, будет преобразована в тепловую энергию. Это приведет к разогреву атмосферы, которое особенно заметно будет ощущаться в тропиках.

Считается, что нынешний уровень первичной продукции в Биосфере является оптимальным с точки зрения сохранения теплового баланса приземных слоев атмосферы и создания необходимых пищевых ресурсов для ее населения.

Дата добавления: 2014-01-07