Перспективы развития биосферы

Роль живого вещества в биосфере.

1. На основе анализа таблиц оцените роль живого вещества в биосфере.

Определите, какую часть в общей массе биосферы занимает живое вещество (табл.1) по отношению к другим геосферам Земли. Полученные данные запишите в таблицу.

Во сколько раз масса живого вещества планеты отличается (больше или меньше?) от массы самой легкой оболочки планеты?

Таблица 1.

Масса и доля живого вещества и основных геосфер Земли

	Масса, в т	Доля, в %
Живое вещество	2.4. 10^12
Атмосфера	5.15. 10^15
Гидросфера	1.5. 10^18
Земная кора	2.8. 10^19

По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других неорганических природных образований, входящих в состав биосферы. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Понятно, что для осуществления подобной работы организмы должны обладать и значительной массой. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2.4х10¹² т.

Определите долю живого вещества в общей массе суши и Мирового океана, используя данные табл.2. «Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле». Полученные данные запишите в таблицу. Проанализируйте результаты вычислений, сделайте вывод о соотношении биомассы растений и животных на суше и в океане.

Таблица 2.

Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле

	Масса, в 10^12т	Масса в %	Масса в целом, %
Суша	Растения	2.4
	Животные и микроорганизмы	0.02
Океан	Растения	0.0002
	Животные и микроорганизмы	0.003
	2.4232

2. Энергетическая и концентрационная функции живого вещества в биосфере: грозит ли человечеству энергетический голод и способна ли хозяйственная деятельность людей повлиять на изменение климата планеты? Дайте ответ на основании анализа представленного материала.

Живое вещество биосферы является мощным аккумулятором энергии. Основные функции живого вещества представлены в табл.3.

Таблица 3.

Основные функции живого вещества биосферы
(Лапо А.В., развивая учение В.И. Вернадского)

Функция	Краткая характеристика происходящих процессов
Энергетическая	Поглощение солнечной энергии при фотосинтезе, химической энергии путем разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевым цепям разнородного живого вещества.
Концентрационная	Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества: а) используемых для построения тела организма; б) удаляемых из него при метаболизме.
Деструктивная	1) Минерализация небиогенного органического вещества. 2) Разложение неживого неорганического вещества. 3) Вовлечение образовавшихся веществ в биологический круговорот.
Средообразующая	Преобразование физико-химических параметров среды (за счет небиогенных веществ).
Транспортная	Перенос вещества против градиента силы тяжести и в горизонтальном направлении.

2.Грозит ли человечеству энергетический голод и может ли хозяйственная деятельность повлиять на состояние климата планеты?

В нижеследующих таблицах показана годовая величина потребления энергии человечеством (таблица 4) и учтенные запасы углеводородного сырья, которые будут извлечены из недр в обозримый период времени (таблица 5)

Таблица 4

Общие энергетические запасы по данным различных источников

Вид энергетического сырья	Оценка мировых запасов углеводородного топлива (млрд.т относительно нефтяного эквивалента) экономически целесообразных к извлечению из недр и сжиганию на уровне современных технологий	Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента
Нефть		6,165 × 10^21Дж
Уголь		4,8555 × 10^22Дж
Газ	109 4905	4,905 × 10^21Дж
ИТОГО углеводородов		5,9625 × 10^22Дж

Таблица 5

Количество энергии, потребляемой человечеством в год без учета альтернативных источников энергии

Вид потребляемого энергетического сырья	Количество углеводородного топлива (млн.т относительно нефтяного эквивалента), потребляемого мировой экономикой в год	Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента
Нефть		1,39545 × 10^20Дж
Уголь		0,9864 × 10^20Дж
Природный газ		0,7821 × 10^20Дж
Всего углеводородов		3,16395 × 10^20Дж
Гидроэлектроэнергия		0,24345 × 10^20Дж
Атомная энергия		0,20745 × 10^20Дж
ВСЕГО потребляемой энергии		3,61485 × 10^20Дж

Примечание: Теплота сгорания нефти варьирует от 43,7 до 46,2 МДж/кг (10400 – 11000 ккал/кг). 1 Вт × час^-1 = 3600 Дж × час^-1 или 1 Дж = 1 Вт × с^-1, 1Вт = 1 × 10⁷ эрг × с^-1, 1 Дж = 1 × 10⁷ эрг = 0,2388 кал.

Всего в год человечество производит энергии – 3,61485 × 10²⁰Дж. Но это не вся энергия, которая рассеивается в пространство. Часть энергии идет на производство продукции, срок разложения которой разный. По балансовым оценкам рассеяние энергии в пространстве в год, кроме аккумулированной энергии в произведенной продукции, составляет около 10%, то есть 3,61485 × 10¹⁹Дж.

С учетом того, что мировые запасы углеводородного топлива в нефтяном эквиваленте составляют 5,9625 × 10²²Дж, то (по современным экономическим требованиям к технологиям извлечения, сжигания топлива) его количества хватит на 188 лет. В том числе нефти – на 44 года (то есть, до 2050 г); газа – на 62 года (то есть, до 2067 года); угля – на 492 года. Весьма пессимистическая картина, обрекающая в будущем на энергетический голод человечество. На самом деле это не так.

Потенциал гидроэлектроэнергетики – возобновляемый. Относительно сжигаемой нефти ежегодный прирост энергии при современных технологиях ее отъема от кинетической энергии падающей воды составляет 16,2%. На самом деле при разумном развитии гидроэнергетики к 2050 году (к моменту расходования ныне оцененных запасов нефти) ее доля может достигнуть 20% общего количества потребляемой энергии от сжигания нефти. Другими словами, энергетический прирост к 2050 году за счет модернизации и строительства новых ГЭС составит всего 3,8% от сжигаемой нефти. Это ненадолго продлит энергетический голод за счет расходования нефтяных запасов по приведенным выше оценкам.

Потенциал атомной энергетики в современных масштабах потребления составляет 13,5% в год от энергии, полученной при сжигании нефти. В недалеком будущем, за счет ввода новых АЭС, в мире доля атомной энергетики от сжигания нефти может быть достигнута 20%. Таким образом, к 2050 г доля энергии за счет ГЭС и АЭС достигнет 40% ныне оцененных энергетических запасов нефти. Следовательно, по пессимистическому сценарию расчета энергетического потенциала дефицит энергии человечество ощутит в объеме 60% уже к 2050 году.

Есть ли резервы энергии? Есть! Они в самой нефти и в других углеводородах!

Рассмотрим сценарий оценки запасов углеводородного топлива против традиционного, базирующегося исключительно на темпах прироста запасов в результате поисков и разведки месторождений углеводородов.

Средняя масса живого вещества оценивается величиной 2,4 × 10¹² т. Если учесть, что первые живые организмы установлены только на рубеже 3,9 млрд. лет, то количество живого вещества в земной коре аккумулированное за это время составит 2,4 × 10¹² x 3,9 × 10⁹ = 9,36 × 10²¹ т (с учетом, что вся биомасса возобновляется ежегодно). При его сжигании выделилось бы энергии 4,212 × 10³² Дж.

Поскольку в земных слоях сохраняется не более 0,1% отмерших организмов, а остальные утрачиваются в процессе преобразования осадков, то остаток органического вещества, из которого могут быть сформированы углеводороды, составит 9,36 × 10¹⁸ т.

Современные подсчитанные запасы углеводородов в пересчете на нефтяной эквивалент составляют всего 1,318 × 10¹² т. То есть, не учтенное количество углеводородов, образованных за счет отмирания живых организмов (9,36 × 1018: 1,325 × 10¹²) более, чем в 7 миллионов раз больше, чем сегодня учитывается в запасах углеводородного сырья биосферы! Даже если учесть, что человечество добудет органического вещества в 100 раз меньше за счет его потери в недрах и то тогда человечеству органического топлива хватит как минимум на 70000 лет. Вывод напрашивается сам: человечеству даже в обозримом будущем не грозит энергетический голод от дефицита углеводородов. Только они могут быть рассеяны в толщах осадочных пород, например, в форме битумных сланцев, тощих углей, сконцентрированных в маломощных пластах и т.д. Но в условиях новых технологий их добычи и сжигания могут они могут дать человечеству огромные запасы топлива.

Если также принять во внимание ведущее значение жизни при формировании основных запасов углей, горючих сланцев, нефти и газа, которые могли быть сформированы в интервале последних 400 млн.лет, а энергию падающего на Землю излучения принять постоянной в 185,5 Вт × м^–2 с, то энергия ископаемых углеводородов (при условии, что вся энергия пойдет на образование углеводородов при участии фотосинтеза и их полного сохранения в условиях земной коры), должна содержать в себе протосолнечные энергетические запасы 185,5 Вт × м^–2 × 400 × 106 = 2,34 × 10¹⁸ Вт. А на всю поверхность материков 2,34 × 10¹⁸ x 148,9 × 10¹² м^-2 = 3,48 × 10³² Вт.

Поскольку материал углеводородов сохраняется в земной коре не более чем 0,1% от всего видового разнообразия на Земле, то на самом деле количество аккумулированной энергии за счет растений составит всего 3,48 × 10²⁹ Вт. А если учесть, что из всей солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, поглощается растениями в 10 раз меньше, то количество аккумулированной энергии в ископаемом виде составит не более 3,48 × 10²⁸ Вт.

Эти запасы углеводородного топлива человек не сможет добыть и сжечь полностью. Из всего накопленного углеводородного сырья в концентрированной форме (месторождений) не может быть топлива более чем 1%. 99% его находится в рассеянной форме и недоступно извлечению по экономическим и технологическим причинам. Таким образом, с учетом потери топлива в недрах, человек способен добыть и сжечь топлива не более чем 3 × 10²⁶ Вт. Это (1,812 × 10³⁵: 3 × 10²⁶) в 0,604 × 10⁹ раз меньше энергетического потенциала биосферы, который был сформирован энергопотоком солнечного излучения за всю историю Земли.

То есть энергетический вклад человека и в будущем представляет собой каплю в энергетическом океане биосферы, даже если ему и удастся сжечь все добытое им топливо в форме углеводородов. Но даже если ему удастся сжечь все углеводороды и освобожденную энергию рассеять в биосфере, то за счет естественного круговорота воды (испарение, конденсация в атмосфере) она будет изъята из биосферы. Ведь только за счет сублимации льда современных ледников Земли под влиянием солнечной энергии поглощение энергии составит величину 1,3 × 10²⁶ Вт.

Так грозит ли человечеству энергетический голод и может ли хозяйственная деятельность повлиять на состояние климата планеты? Ответ обосновать.

3. Эволюция биосферы и перспективы развития биосферы.

Проанализировать теоретический материал, дать краткую характеристику каждого из предложенных путей развития биосферы Земли. Какая из перспектив развития биосферы по вашему мнению является наиболее приемлемой для сохранения её целостности? Почему?

Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы «человек — природа», получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.

В дальнейшем эволюции биосферы и переходу ее в ноосферу были посвящены научные работы многих зарубежных и отечественных исследователей. Так, М. М. Камшилов (1974), рассматривая эволюцию биосферы, отмечал (рис. 1), что биосфера в процессе эволюции, проходит ряд последовательных стадий, которые характеризуются постоянным возрастанием роли человеческой деятельности и превращением биосферы земли в качественно новой образование – ноосферу (по В.И.Вернадскому).

Рис. 1. Стадии эволюции биосферы, представленные в виде последовательно вовлекаемых в круговорот циклов (по М. М. Камшилову, 1974)

1 — в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла биосфера (Б);

2 — по мере развития жизни она расширяется;

3 — в ней появляется человеческое общество (Ч);

4 — человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не только через биосферу, но и непосредственно из абиотической среды (Т);

5 — биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), стала развиваться под контролем разумной деятельности человека (ноогенез); управление взаимными отношениями человеческого общества и природы осуществляется с помощью ноогенетики, жизнь, развиваясь по пути ноогенеза, все полнее осваивает вещество, энергию и потенциал информации неживой природы, распространяясь за пределы Земли (пунктирные линии).

Таким образом можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез:

1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа – 3,5–4,5 млрд. лет.

2) Биогенез – преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа – 2,5–3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).

3) Антропогенез – появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа – 1,5–3 млн. лет назад (появление человека).

4) Техногенез – преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно–технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа – 10–15 тыс. лет назад (появление городских поселений).

5) Ноогенез – процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально–природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.

Проанализируйте возможные пути сохранения биосферы, используя приведенные фрагменты из литературных источников.

Таким образом, становление ноосферы в своих главных проявлениях характеризуется следующими признаками (рис. 2.):

Рис. 2. Геохимия ноосферы (по Д. И. Перельману, 1973)

Процессы, унаследованные от биосферы, но существенно измененные в ноосфере: 1 — биологический круговорот атомов; 2 — круговорот воды, водная и атмосферная миграция элементов; 3 — рассеяние элементов — отработка месторождений и т. д. Процессы, чуждые биосфере: 4 — получение металлов и других элементов, неустойчивых в термодинамическом поле биосферы; 5 — производство энергии на атомных электростанциях; б — синтез органических веществ, не существовавших в биосфере (полимеры и др.)

1. Возрастающим количеством механически извлекаемого материала литосферы — ростом разработки месторождений полезных ископаемых. В 90-х гг. оно превышало 100 млрд т в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в океан в процессе денудации суши.

2. Массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, главным образом в энергетических целях. Химическое равновесие в биосфере в связи с этим смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода.

3. Процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что являлось характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема.

4. В ноосфере создаются в массовом количестве вещества, которые ранее в биосфере отсутствовали. Происходит металлизация биосферы.

5. Характерно для ноосферы появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Овладение ядерной энергией происходит за счет деления тяжелых ядер. Предвидится в недалеком будущем получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит полностью отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии.

6. Ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, которая обеспечивает выход человека за пределы планеты Земля. Происходит освоение космического, околокосмического пространства с непредвиденными возможностями. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах. Снижение численности населения Земли.

Ряд философов утверждают, вслед за Т.Мальтусом, что именно экспоненциальный рост численности населения планеты является главной дестабилизирующей силой в системе «Природа-Человек». Предлагаются некоторые пути решения проблемы. Проанализируйте их и выскажите свое отношение. Какой из путей, по вашему мнению, является наиболее перспективным, почему?

По расчетам [3,4] биосферу удастся сохранить, если в БЛИЖАЙШИЕ СТО ЛЕТ УМЕНЬШИТЬ ЧИСЛЕННОСТЬ ЛЮДЕЙ В ДЕСЯТЬ РАЗ. В противном случае биосфера не выдержит нагрузки, и начнутся необратимые процессы. "Необходимо перейти ко всеобщему пропорциональному сокращению численности населения всех наций (при безусловном сохранении популяции малых народов)" [3]. Есть и иные варианты реализации идеи под общим названием "sex-wars" (демографические войны): повышение процента выводимых из женского организма оплодотворенных клеток; заметное превышение числа рождающихся мальчиков над числом девочек (метод Гордона Тейлора); переход к однодетной семье. Авторы этих предложений, видимо, представляют все недостатки "sex-wars", но считают, что "это — ЗЛО, наименьшее из возможных" (С. Лем "Планета Земля. Век ХХI", "Комсомольская правда" от 11 июля 1992, стр. 3).

"Жители государств, которые примут идею депопуляции, резко увеличат свой уровень жизни по сравнению с теми, которые будут продолжать размножаться... Равные права народов (размножаться или придерживаться политики депопуляции) приводят к неравенству и должны быть защищены, если надо, военной силой" [4].

"Призывы авторов БТМ превратить нашу планету в подобие космического корабля, излишни. Она и так представляет собой космический корабль, на котором биосфера с помощью биотехнологии поддерживала великолепные условия для существования людей. Однако, вместимость этого корабля — 500 миллионов человек. Если люди не понимают этого, значит наша планета — космический корабль дураков, со всеми вытекающими отсюда фатальными последствиями" [4,стр. 11].

Цивилизация лилипутов

Снижение биомассы человечества за счет снижения веса каждого человека должно привести к снижению экологического давления на природу. Эту, фантастическую, на первый взгляд, идею сейчас вполне серьезно разрабатывают ученые — об этом говорят публикации последних лет.

"По сообщению английского журнала "Уикэнд", американские ученые якобы разработали средство, которое позволит решить проблему перенаселения Земли. Это средство — миниатюризация жителей планеты, а именно — нас с вами. Как сообщается, возможно, выведение нового вируса, который, будучи выпущен в атмосферу или водную среду, в течение достаточно короткого срока приведет к уменьшению роста людей: 70-80-сантиметровые человечки станут нормой, а метровые будут выситься меж ними гигантами.
Роберт Макнамара, бывший министр обороны США, а ныне президент Всемирного банка, не видит в новом средстве ничего особенно страшного: выбор таков — либо миниатюризация, либо принудительная стерилизация. Альтернатива жутковатая! И как-то не очень хочется ни того, ни другого." (Мегаполис-экспресс, 1991, N 31 "Предпочитаем в лилипуты...")

Концепция бесприродного технического мира

Главное и принципиальное отличие концепции БТМ от остальных путей решения современного экологического кризиса:

Вместо ограничений (численности, потребления, роста людей) концепция БТМ предлагается ускоренное развитие технологий и личности человека.

В статье Г. Альтшуллера и М. Рубина «Жизнь без природы» эта линия рассуждений доведена до логического конца: «Мы не успеем сменить стиль жизни, не успеем понять, что природные ценности выше материальных. У нас уже не осталось времени, чтобы перестроиться и спасти природу. Но есть – ещё есть – время, чтобы взглянуть правде в глаза и подготовиться к жизни в новом техническом мире. До сих пор искусственные, технические миры создавались в ограниченном пространстве: подводных лодках, кабинах самолетов, космических аппаратах. Создание и функционирование большого бесприродного технического мира (БТМ) потребует решения множества задач. Техническими средствами придется обеспечивать человечество воздухом, водой, питанием. Техника должна будет взять на себя и множество других функций, которые сейчас природа «автоматически» и «бесплатно» выполняет за нас. Эта задача разрешима. Даже современный уровень техники гарантирует энергетику, необходимую и достаточную для постройки БТМ».

Технология БТМ, является экологически чистой, поскольку варварски не использует природную среду (воду, воздух, леса...). Жизнь в БТМ должна быть основана не на использовании того, что накапливалось в природе веками, а на приспосабливании к новым условиям изменяющейся окружающей среды. Для создания такой технологии необходим НЕПРЕРЫВНЫЙ процесс решения вновь возникающих задач. Люди, основной деятельностью которых будет решение творческих задач, САМИ будут ограничивать свое материальное потребление (которое, безусловно, не должно быть нищенским!), отдавая свои основные силы и время достижению поставленной Цели.

Дата добавления: 2015-05-29