Естествознание и будущее цивилизации

Экология -- цикл научных отраслей, изучающих взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. В этот цикл входят: общая экология, изучающая основные принципы строения и функционирования различных надорганизменных систем -- популяций, биоценозов, биогеоценозов и биосферы (см. 13.2), частные экологии, изучающие конкретные биоценозы или биогео-ценозы (например, экология млекопитающих, гидробиология, агроэкология и др.). В 1970-х гг. в цикле экологических наук выделилась экология человека, или социальная экология, изучающая закономерности взаимодействия человеческого общества и окружающей среды. Современная экология -- сложная междисциплинарная и комплексная система познания, включающая в себя методы, понятия и принципы как естествознания (биологических, геологических, химических, физических наук), математики, так и социально-гуманитарного знания, философии.

Начиная со средины XX в. рост потребностей человека и его производственной активности привел к тому, что масштабы возможного воздействия человека на природу стали соизмеримыми с масштабами глобальных природных процессов. В результате труда человека создаются каналы и новые моря, исчезают болота и пустыни, перемещаются огромные массы ископаемых пород, синтезируются новые химические материалы. Преобразующая деятельность современного человека распространяется даже на дно океана и космическое пространство. Однако все возрастающее влияние человека на окружающую среду порождает сложные проблемы в его взаимоотношениях с природой. Неконтролируемая и непредсказуемая деятельность человека стала оказывать отрицательное воздействие на ход природных процессов, вызывать резко негативные необратимые изменения как окружающей среды, так и биологической природы самого человека. Это касается буквально всей среды -- атмосферы, гидросферы, недр, плодородного слоя; гибнут животные и растения, разрушаются и исчезают биоценозы и биогеоценозы; растет заболеваемость людей. При этом неуклонно увеличивается численность населения земного шара [1]. Вывод напрашивается сам собой: человечество неумолимо идет к экологической катастрофе -- истощению энергетических, минеральных и земельных ресурсов, гибели биосферы, а возможно, и самой человеческой цивилизации. Поэтому возникла необходимость защиты среды обитания человека от его же воздействия на нее.

Охарактеризуем основные кризисные направления развития экологической ситуации.

Исчезновение растительных и животных видов, видового многообразия, генофонда флоры и фауны Земли, причем животные и растения исчезают, как правило, не в результате их непосредственного истребления человеком, а вследствие изменения среды обитания. С начала 1980-х гг. ежедневно вымирает один вид животных, а еженедельно -- один вид растений. Вымирание угрожает тысячам видов животных и растений. Под угрозой исчезновения находится каждый четвертый вид земноводных, каждый десятый вид высших растений. А каждый из видов является неповторимым, уникальным результатом эволюции, протекавшей много миллионов лет.

Человечество обязано сохранить и передать потомкам биологическое разнообразие Земли, и не только потому, что природа прекрасна и восхищает нас своим великолепием. Есть еще более значимое основание: сохранение биологического разнообразия является непременным условием жизни самого человека на Земле, поскольку устойчивость биосферы тем выше, чем больше составляющих ее видов.

Исчезновение лесов (особенно тропических) со скоростью несколько десятков гектаров в минуту. Это влечет за собой, в частности, эрозию почв (почвы -- продукт сложного и длительного взаимодействия живой и косной материи), уничтожение верхнего плодородного слоя земли, опустынивание Земли, которое происходит со скоростью 44 га/мин.

Кроме того, леса -- главные поставщики кислорода в атмосферу посредством фотосинтеза. В настоящее время баланс прихода и расхода кислорода отрицательный. За последние 100 лет концентрация кислорода в воздухе снизилась с 20,948 до 20,8%, а в городах даже ниже 20%. Уже 1/4 суши лишена естественного растительного покрова. Большие площади коренных биогеоценозов заменены вторичными, более упрощенными и однообразными, с заметно пониженной продуктивностью. Растительная биомасса глобально уменьшилась примерно на 7%.

Под сильным сельскохозяйственным воздействием находится около 50% поверхности суши, причем каждый год не менее 300 тыс. гектаров сельскохозяйственных земель поглощается урбанизацией. Площадь пашни в расчете на одного человека из года в год сокращается (даже без учета роста населения).

Истощение природных ресурсов. Ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд т различных пород. Для жизнедеятельности одного человека в современной цивилизации в год необходимо 200 т различных твердых веществ, которые он с помощью 800 т воды и 1000 Вт энергии превращает в продукты своего потребления. При этом человечество живет за счет не только эксплуатации ресурсов современной биосферы, но и невозобновляемых продуктов былых биосфер (нефть, уголь, газ, руды и т.п.). По самым оптимистическим оценкам, существующих запасов таких природных ресурсов человечеству хватит ненадолго: нефти примерно на 30 лет; природного газа на 50 лет; угля на 100 лет и т.д. Но и возобновляемые природные ресурсы (например, древесина) становятся невозобновляемыми, поскольку условия их воспроизводства коренным образом изменяются, они доводятся до крайнего истощения или полного уничтожения, т.е. все природные ресурсы на Земле конечны.

Непрерывный и бурный рост энергетических затрат человечества. Расход энергии (в ккал/сутки) на одного человека в первобытном обществе был примерно 4000, в феодальном обществе -- около 12 000, в индустриальной цивилизации -- 70 000, а в развитых постиндустриальных странах достигает 250 000 (т.е. выше в 60 раз и более, чем у наших палеолитических предков) и продолжает возрастать. Однако этот процесс не может продолжаться долго: атмосфера Земли разогревается, что может иметь самые непредсказуемые неблагоприятные последствия (климатические, географические, геологические и др.).

Загрязнение атмосферы, воды, почвы. Источником загрязнения атмосферы являются прежде всего предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, автомобильный транспорт, сжигание мусора, отходов и др. Их выбросы в атмосферу содержат оксиды углерода, азота и серы, углеводороды, соединения металлов, пыль. Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 20 млрд т СО2; 300 млн т СО 2 ; 50 млн т оксидов азота; 150 млн т SO 2 ; 4--5 млн т Н 2 S и других вредных газов; более 400 млн т частиц сажи, пыли, золы.

В природе за счет жизнедеятельности растений и животных происходит непрерывный круговорот углерода. В ходе его углерод из органических соединений постоянно переходит в неорганические, и наоборот. На круговорот углерода существенное влияние оказывает сжигание топлива. При этом в атмосферу выбрасывается такое огромное количество углекислого газа и пыли, что это может привести к изменению климата на Земле. Углекислый газ атмосферы свободно пропускает на Землю излучение Солнца, но задерживает излучение Земли, результатом чего является так называемый парниковый эффект -- слой углекислого газа играет ту же роль, что стекло в теплице. Поэтому увеличение содержания СО 2 в атмосфере (в настоящее время на 0,3% в год) может стать причиной потепления на Земле, привести к таянию полярных льдов и вызвать катастрофическое повышение уровня Мирового океана на 4--8 м.

Увеличение содержания в атмосфере SO 2 обусловливает образование «кислотных дождей», вызывающих рост кислотности водоемов, гибель их обитателей. Под губительным действием оксидов серы и азота разрушаются строительные материалы, памятники архитектуры. Из-за переноса воздушных масс на большие расстояния (трансграничные переносы) опасное повышение кислотности водоемов распространяется на большие площади.

Выхлопные газы автотранспорта наносят огромный урон жизнедеятельности животных и растений. Составные части выхлопных газов автомобилей -- оксид углерода, оксиды азота, оксид серы, соединения свинца, ртути и др. Оксид углерода СО (угарный газ) взаимодействует с гемоглобином крови в 200 раз активнее кислорода и снижает способность крови быть переносчиком кислорода. Поэтому даже при незначительных концентрациях в воздухе угарный газ оказывает вредное воздействие на здоровье (вызывает головную боль, снижает умственную деятельность). Оксид серы вызывает спазмы дыхательных путей, оксиды азота --общую слабость, головокружение, тошноту. Содержащиеся в выхлопных газах соединения свинца -- очень токсичного элемента -- действуют на ферментные системы и обмен веществ, свинец накапливается в пресной воде. Один из опаснейших загрязнителей -- ртуть, накапливаясь в организме, она отрицательно действует на нервную систему.

Загрязнение гидросферы. Вода широко, хотя и не повсеместно, распространена на нашей планете. (Общий запас воды около 1,4 10 18 т. Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах. На долю пресной воды приходится только 2%.) В природных условиях осуществляется постоянный круговорот воды, сопровождающийся процессами ее очистки. Вода выносит огромные массы растворенных веществ в моря и океаны, где происходят сложные химические и биохимические процессы, способствующие самоочищению водоемов.

Вместе с тем вода широко применяется во всех областях хозяйства и в быту. В связи с развитием промышленности, ростом городов расход воды постоянно увеличивается. Одновременно усиливается загрязнение воды промышленными и бытовыми отходами: ежегодно в водоемы сбрасывается около 600 млрд т промышленных и бытовых стоков, свыше 10 млн т нефти и нефтепродуктов. Это приводит к нарушению естественного самоочищения водоемов. Промышленные сточные воды, содержащие ядовитые вещества, в частности соединения токсичных металлов, а также растворенные в сточных водах минеральные удобрения, смываемые с поверхности почвы, наносят огромный урон живым организмам в водоемах. Кроме того, удобрения (особенно нитраты, фосфаты) вызывают бурное разрастание водорослей, засоряют водоемы и способствуют их гибели. Загрязняются не только поверхностные и подземные воды суши, но даже Мировой океан (ядовитыми и радиоактивными веществами, солями тяжелых металлов, сложно-органическими соединениями, мусором, отходами и т.п.).

Таким образом, перед человечеством остро встала проблема сознательного и целенаправленного регулирования обмена веществом и энергией между обществом и биосферой, выработки стратегии охраны природы, а значит, и самого человека. Такое регулирование может осуществляться на основе следующих принципов.

Химические диагностические биотехнологии используются в медицине давно. Но если раньше они сводились к определению в тканях и органах веществ, имеющих диагностическое значение (статический подход), то сейчас развивается и динамический подход, позволяющий определять скорости образования и распада представляющих интерес веществ, активность ферментов, осуществляющих синтез или деградацию этих веществ, и др. Кроме того, современная диагностика разрабатывает методы функционального подхода, с помощью которого можно оценивать влияние функциональных воздействий на изменение диагностических веществ, а следовательно, выявлять резервные возможности организма.

В будущем возрастет роль физической диагностики, которая дешевле и быстрее, чем химическая, и состоит в определении физико-химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности клетки, а также физических процессов (тепловых, акустических, электромагнитных и др.) на тканевом уровне, уровне органов и организма в целом. На базе такого рода анализа в рамках биофизики сложных биологических систем будут развиваться новые методы физиотерапии, выяснится смысл многих так называемых нетрадиционных методов лечения, приемов народной медицины и т.д.

Биотехнологии широко используются в фармакологии. В древности для лечения больных применяли животные, растительные и минеральные вещества. Начиная с XIX в. в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX в. и антибиотики -- особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX в. фармакологи обратились к индивидуальным биологически активным соединениям и стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов, суть действия которых -- в вытеснении патогенной микрофлоры невредной для здоровья людей микрофлорой (использование микробного антагонизма).

Биотехнологии помогают в борьбе современной медицины с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями как патологическим нарушением иммунитета (способность организма защищать свою целостность и биологическую индивидуальность), старением и вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом). Так, развитие иммунологии (науки, изучающей защитные свойства организма) способствует лечению аллергии. При аллергии организм отвечает на воздействие некоторого специфического аллергена чрезмерной реакцией, повреждающей его собственные клетки и ткани в результате отека, воспаления, спазма, нарушений микроциркуляции, гемодинамики и др. Иммунология, изучая клетки, осуществляющие иммунный ответ (иммуноциты), позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических, онкологических и инфекционных заболеваний.

Человек пока не умеет лечить СПИД и плохо лечит вирусные инфекции. Химиотерапия и антибиотики, эффективные в борьбе с бактериальной инфекцией, неэффективны в отношении вирусов (например, возбудителей атипичной пневмонии). Предполагается, что здесь существенный прогресс будет достигнут благодаря развитию иммунологии, молекулярной биологии вирусов, в частности изучению взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами.

Биотехнологическими способами производят витамины, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Новая область биоиндустрии -- производство пищевых добавок.

1.2.3 Сельскохозяйственные и экологические биотехнологии в XX в.

Произошла «зеленая революция» -- за счет использования минеральных удобрений, пестицидов и инсектицидов удалось добиться резкого повышения продуктивности растениеводства. Но сейчас понятны и ее отрицательные последствия, например насыщение продуктов питания нитратами и ядохимикатами. Основная задача современных агробиотехнологий -- преодоление отрицательных последствий «зеленой революции», микробиологический синтез средств защиты растений, производства кормов и ферментов для кормопроизводства и др. При этом упор делается на биологические методы восстановления плодородия почвы, биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, на переход от монокультур к поликультурам (что повышает выход биомассы с единицы площади сельхозугодий), выведение новых высокопродуктивных и обладающих другими полезными свойствами (например, засухоустойчивостью или устойчивостью к засолению) сортов культурных растений.