Учение об окружающей среде

Первоначально (Ф.У. Кларк, 1889) были определены проценты от массы земной коры для отдельных химических элементов, названные массовыми кларками земной коры (табл. 3.2). Потом было установлено, какой процент занимают объемы атомов определенных химических элементов от общего объема земной коры, а также их числа от общего числа атомов в земной коре, названные (соответственно) объемными и атомными кларками

Таблица 3.1 - Соотношение между различными единицами измерения среднего содержания элемента



земной коры. Позже были установлены средние содержания химических элементов в различных типах горных пород (кларки горных пород) и в отдельных крупных регионах типа Кавказа или Урала (местные или региональные кларки).

Вернемся к рассмотрению закономерностей распространения химических элементов в различных крупных геохимических системах и в первую очередь в земной коре.

1. Элементы распространены в земной коре крайне неравномерно. Одних из них в миллиард миллиардов раз (от n · 10 до n · 10-16) больше, чем других. На долю только О и Si приходится около 70% массы земной коры. Если к ним добавить еще шесть элементов (Al, Fe, Ca, Mg, К, Na), то их суммарная масса составит около 99% массы коры. Добавив к ним еще 29 наиболее распространенных элементов, получим прибавку всего около 1%, при этом на большую часть (по числу) всех оставшихся элементов будут приходиться лишь сотые доли процентов массы земной коры.

Если учитывать объемы атомов, то рассматриваемая неравномерность станет еще более контрастной.

Многие исследователи группировали химические элементы с учетом их кларкового содержания. Так, иногда породообразующими называются 9 наиболее распространенных в литосфере химических элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, К, Na, Mg, Ti. На их долю приходится 99,5 % массы земной коры.

Элементы с массовыми кларками меньше 1·10-2% часто называют редкими. Однако при таком подходе к редким следует относить более 70% химических элементов, известных в земной коре. Ясна бессмысленность



Таблица 3.2 - Значения абсолютных (АР) и относительных (ОР) разбросов кларковых содержаний химических элементов в магматических породах, в породах континентов и в образованиях океанического дна

Примечания: Черта под цифрой символизирует минимальный абсолютный разброс в магматических породах; две черты - максимальный абсолютный разброс в магматических породах и максимальный относительный разброс. В скобках приведены данные без учета содержаний в почвах. такого названия. Но даже уменьшив еще в 100 раз пороговое содержание (до 1·10-4%), придется считать "редкими" более трети элементов. Совершенно иной смысл в это понятие вкладывал И.И. Гинзбург, относивший к редким элементы, редко (мало) используемые человечеством. Приведенные данные указывают на необходимость осторожного подхода к термину "редкие элементы".

Довольно часто употребим (особенно в биогеохимической литературе) и термин "микроэлементы". А.И. Перельман рекомендует (1979) употреблять его только с указанием конкретной природной системы. Так AI - микроэлемент в организмах и макроэлемент в литосфере. За пороговое значение предложено брать 1·10-2%.

2. Для рассмотрения следующей закономерности необходимо привлечение "кривой Ферсмана" - полулогарифмического графика, на котором по оси абсцисс отложены порядковые номера элементов, а по оси ординат - логарифмы атомных кларков. Как видно из рис. 3.1, положение большей части элементов колеблется, не отходя далеко от условной усредняющей (показана сплошной линией). По отношению к усредненному распространению выделяются элементы резко преобладающие - избыточные и с особо малым содержанием - недостаточные.



Рис. 3.1. Логарифмы атомных кларков элементов (по А.Е. Ферсману)

К избыточным относятся О, AI, Si, Fe, Ba, Th. Несколько условно к ним иногда причисляют К, Са, РЬ. Объяснить их избыточное распространение какой-либо одной важнейшей причиной пока не удалось. Можно только отметить, что за исключением AI и К все они имеют четные атомные номера, а атомные массы большинства кратны четырем.

К недостаточным относятся резко дефицитные инертные газы (Не, Ne, Кr, Хе, Аr), а также Li, Be, В. Малая распространенность благородных газов объясняется двумя гипотезами. Первая предполагает их постоянный отток от Земли - так называемое гелиевое дыхание Земли. Эта гипотеза более распространена среди геохимиков, начиная с В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана. По второй гипотезе еще при формировании планеты инертные газы оттеснялись от сгущавшихся частиц (как это наблюдается в хвостах планет) и были дефицитными уже на этой стадии. Вполне вероятно, в определенной мере справедливы обе гипотезы.

Низкие кларки Li, Be, В обычно объясняются недостаточной устойчивостью их атомных ядер. Это подтверждается экспериментальными данными.

3. Ведущим химическим элементом земной коры является кислород. Его массовый кларк определяется в пределах 46,28...49%, атомный - 53,3%, а объемный - 92%. Это позволяет считать земную кору кислородной сферой. В биосфере несколько возрастает относительная роль гидросферы, состоящей из Н и О, а в связи с этим еще больше возрастает содержание кислорода. Он же определяет возможность развития подавляющего большинства организмов, а основная часть свободного кислорода в биосфере считается продуктом фотосинтеза.

По имеющимся расчетам (И.Ф. Реймерс, 1990) в настоящее время свободный кислород образуется со скоростью 1,55·109 т/год, а расходуется 2,16·1010 т/год. Таким образом, расход свободного кислорода в ноосфере более чем в 10 раз превышает его образование. Есть над чем задуматься экологам!

Еще одна особенность: в земной коре, 92% объема которой приходится на долю кислорода, преобладают так называемые бескислородные восстановительные обстановки. Это означает, что в большей части литосферы отсутствует свободный кислород. Даже в биосфере встречается довольно много зон с бескислородными глеевой и сероводородной обстановками. Иногда их размеры столь велики, что прорыв в атмосферу H2S из таких зон может стать катастрофой планетарного масштаба. В нашей стране к одной из таких зон относится, например, Прикаспий. Нужно тщательно продумывать свою деятельность (в частности добычу нефти и газа), чтобы не допустить возможности таких прорывов H2S.

4. Возвращаясь к рис. 3.1, отметим, что содержание химических элементов в земной коре неравномерно убывает по мере увеличения их порядковых номеров и атомных масс. Так, из шести элементов, составляющих 98% объема коры, наибольший порядковый номер 20, а наибольшая атомная масса - 40 (Са). О резком преобладании легких элементов свидетельствует и средняя атомная масса земной коры, равная 17,25. Для сравнения вспомним, что атомная масса As равна 74,92, Sr - 87,62, Cd - 112,41, W - 183,8, Hg - 200,5, Pb - 207,2 и U - 238,2.

В биосфере, представляющей верхний слой земной коры с существенной ролью гидросферы и атмосферы, преобладание легких элементов выражено еще более контрастно. Исходя из этого, становятся понятными токсичность тяжелых металлов при их повышенной концентрации и зависимость "биологической важности" элементов от их положения относительно линии питательных веществ (см. дальше).

5. В таблице Д. И. Менделеева элементы с четными порядковыми номерами и с четными атомными массами являются более распространенными, чем рядом расположенные элементы с нечетными номерами. Эта закономерность была установлена итальянцем Г. Оддо и американцем В. Гаркинсом и по их фамилиям получила название Оддо-Гаркинса. Всего же массовые кларки четных элементов составляют в сумме более 86%.

6. Особым преобладанием в земной коре отличаются элементы, атомная масса которых кратна четырем: О (16), Мд (24), Si (28), Са (40). В связи с этим можно предполагать, что если бы не удаление с Земли, то кларки Не(4), Ne(20), Ar(40) были бы несравненно большими.

7. Среди изотопов одного элемента обычно преобладают те, массовое число которых кратно четырем. Особо наглядно это выглядит на примере кислорода и серы:

16O - 99,76%

17O - 0,04%

18O - 0,20%

32S - 95,1%

33S - 0,75%

34S - 4,22%

36S - 0,02%

8. У нечетных и четных элементов в начале таблицы Менделеева наибольшие кларки характерны для шестых по порядковому номеру элементов: у нечетных - Н (1), N (7), AI (13), К (19), Мn (25); у четных - О (8), Si (14), Са (20), Fe (26). Объяснения этой закономерности пока нет.

Из рассмотрения закономерностей распространения элементов в земной коре следует, что в ней резко преобладают легкие элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами, представленные изотопами типа 4п с устойчивыми ядрами и удерживающиеся гравитационным полем Земли.

Все изложенное позволяет сделать вывод:

Процесс эволюционного развития организмов происходил в среде со всеми известными химическими элементами, некоторые из них (радиоактивные) к настоящему времени в земной коре вымерли. При этом в среде обитания существенно преобладают легкие химические элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами, особенно атомная масса которых кратна четырем.

Именно эти условия наиболее благоприятны для безопасной жизнедеятельности.

Рассмотренные особенности распространения химических элементов в земной коре сказались на развитии и составе живых организмов планеты. Так, химические элементы, наиболее необходимые в значительных содержаниях для нормального развития организмов, расположены или непосредственно на "линии жизни" или вблизи от нее. Сама линия жизни (ее еще называют "линией питательных веществ") представляет собой ломаную, соединяющую в таблице Д. И. Менделеева углерод с железом и калием (рис 3.2).

Считается, что чем дальше и ниже от линии жизни расположены элементы таблицы Д.И. Менделеева, тем более опасны они для большинства живых организмов, в том числе и для человека, при высокой концентрации в среде обитания этих организмов. На большинство организмов, также включая человека, отрицательно воздействует недостаток в первую очередь тех элементов, которые расположены в непосредственной близости от линии жизни.

Особенности распространенности химических элементов в земной коре оказали влияние и на химический состав живого вещества. Так, в него входят практически все химические элементы, известные в земной коре. Неравномерность распространения элементов в общей массе живых организмов.

Рис. 3.2. Линия питательных веществ

еще более усилилась, и на долю всего трех элементов (О, С, Н) приходится свыше 98% массы живого вещества (табл. 3.3).

Основным элементом в организмах, как и в земной коре, является кислород. Основу живого вещества составляют химические элементы, доминирующий изотоп которых построен по типу 4n (12C, 160, 24Mg, 28Si, 32S, 40Ca, 60Fe). При этом легкие элементы преобладают над тяжелыми. Закономерности, указанные для всей массы живого вещества, справедливы и для человеческого организма (табл. 3.4).

Уже была рассмотрена связь распространения химических элементов в земной коре с химическим составом всего блока живого вещества Земли в целом, а также влияние особенностей этого распространения на условия развития на Земле жизни как таковой. Однако выяснилось, что жизнь и развитие отдельных конкретных видов организмов во многом обусловлены специфическими геохимическими особенностями относительно небольших участков земной коры с преобладанием горных пород определенного типа. К настоящему времени это явление наиболее изучено для растений суши.

Так, по наблюдениям С.М. Ткалича, на Сахалине над угленосными пластами произрастают лиственные ольхово-березовые леса, а над вмещающими их породами - хвойные. В Сибири над кимберлитами на фоне лишайниковых редколесий выделяются лиственнично-ольховые леса. В Иркутской области по изменению состава растительности выделялись площади, занятые магматическими породами - траппами.

Таблица 3.3Среднее содержание химических элементов в живом веществе



Таблица 3.4.Средние процентные содержания в живом веществе планеты и в человеке наиболее распространенных химических элементов (по данным J. Emsley, H.J. Bowen, А.И. Перельмана, В.А. Алексеенко)

Специфические геохимические особенности регионов несомненно воздействуют и на обитающих в их пределах людей, что особенно видно, если на одном месте проживает несколько поколений их. Это имеет свои плюсы и минусы. Специальные исследования показывают, что среди долгожителей преобладают те, чьи предки долгое время жили в одном регионе и привыкли к данной геохимической обстановке. В то же время, если геохимические особенности региона существенно отличаются от обычных и вышерассмотренных условий, у долго проживающих в нем людей возможно появление специфических заболеваний. Например, район Уров в Сибири выделяется резким избытком Sr и недостатком Са, в его пределах развивается "уровская болезнь", при которой нарушается строение скелета: наблюдаются искривления позвоночника, опухоль суставов, ломкость костей. Аналогичные районы известны в Маньчжурии, в бассейне реки Зеи и в других местах (А. И. Перельман, 1972). Ряд исследователей объясняет причины малорослости населения лесов Центральной Африки, например пигмеев, аномально низким содержанием Са в почвах и продуктах питания. Подобные явления изучены для диких и домашних животных, рыб, птиц.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

Для жизнедеятельности большинства организмов благоприятна распространенность элементов, близкая к кларковой.

Резко выраженные специфические особенности распространенности ряда элементов в отдельных регионах непосредственно сказываются на здоровье людей, вызывая изменения концентраций этих элементов в растительных и животных организмах, обычно являющихся продуктами питания человека.

В большинстве случаев при миграции населения нецелесообразно резко менять геохимические условия проживания по сравнению с теми, в которых жили предки. Это может существенно уменьшить безопасность жизнедеятельности переселенцев.

Форма нахождения химических элементов в среде обитания организмов

Состав живого вещества и условия развития жизни на Земле во многом определяются и преобладанием определенных форм нахождения химических элементов в среде обитания организмов. Так, в составе земной коры преобладают химические элементы, для которых предпочтительной является минеральная форма, а организмы поглощают в основном химические элементы, находящиеся в водных растворах, газовых смесях и в биологической форме. Это сказалось и на особенностях химического состава организмов:

воздушные мигранты составляют в живом веществе свыше 98% его массы, а в земной коре - лишь около 50%;

среди водных мигрантов (по А.И. Перельману) в организмах преобладают подвижные. На их долю приходится 0,7%, а на долю малоподвижных - около 0,5%. В земной же коре преобладают слабо- и малоподвижные, составляя свыше 44%. На долю подвижных приходится всего около 8%;

обособленные в пространстве земной коры такие формы нахождения элементов, как минеральная, водные растворы, газовые смеси, коллоидная и сорбированная, в живом веществе часто пространственно совмещены, образуя единый организм.

Как уже указывалось, с учетом форм нахождения химических элементов в составе земной коры при различных экологических исследованиях отдельно выделяются гидросфера, атмосфера, почвы и живое вещество. Все они имеют огромное значение и свою специфику воздействия на безопасность жизнедеятельности людей.

Все воды гидросферы можно разделить на две большие группы: минерализованные воды Мирового океана и преимущественно пресные воды континентов. В обеих группах установлены средние содержания (кларки) большинства химических элементов (табл. 3.5).

Геохимическая обстановка развития жизни в Океане отличалась от обстановки на континентах прежде всего наличием водной среды, содержащей большинство химических элементов в наиболее доступной для организмов форме - в ионных растворах (см. табл. 3.5). Как видно из рис. 3.3, кроме ионов в океанической воде растворены газы, а также находятся минеральные и органические коллоиды и отдельные молекулы различных веществ. Первичная минерализация вод Океана неизвестна, но вполне можно считать, что они были менее солеными. Косвенно об этом свидетельствует миграция многих видов морских рыб на нерест в пресные воды рек и озер.

Эксперименты показывают, что океаническая вода представляет собой раствор, ненасыщенный химическими элементами. Специалисты считают, что определенная концентрация в водах большинства химических элементов



Таблица 3.5 - Кларковые содержания элементов в водах, массовые %;

поддерживается в результате механического опускания частиц, сорбции и биогенной аккумуляции. Эти три основных механизма извлечения химических элементов (их соединений) из вод тесно переплетены между собой и неодинаково проявляются в разных частях Океана. По данным академика А. П. Лисицина и ряда других исследователей, биогенное осадконакопление резко преобладает в гумидных областях. А вообще зоопланктоном за 20 суток отфильтровываются воды Океана до глубины 500 м. (Теперь вспомним, что под пленкой нефти в водах пропадает жизнь, что зоопланктон гибнет от ядохимикатов, и представим иллюзорность самоочищения Океана при современном отношении к его загрязнению.)

Все три механизма извлечения химических элементов (их соединений) из вод не постоянны во времени и пространстве. В связи с этим в зависимости от времени, глубины водного слоя и местоположения в Мировом океане концентрация одного и того же элемента может изменяться в довольно широких пределах. Так, анализы вод показали содержание в них меди у Шотландского побережья и в Адриатическом море около 6 (в мкг/л), в Ла-Манше - 12, у восточного побережья США - 16, а в Ирландском море - 27. У ряда других элементов (особенно у поглощаемых животными организмами) пределы колебаний еще больше, а для С, N, О, Р, S и Si они достигают трех порядков (Е.D. Goldberg, 1957).

Возрастает объем взвесей, выносимых реками в Океан с освоенных людьми территорий, их значительную часть составляют коллоидные частицы. Таким образом, в результате антропогенной деятельности возможно изменение кларковых содержаний, определяющих состав вод в настоящее время. Вероятность этого увеличивается в связи с тем, что не только изменяется состав вод, поступающих с континентов, но под действием антропогенных процессов меняются природные процессы всех трех видов извлечения химических элементов из океанических вод.

Сейчас еще трудно сказать, начинаются ли в результате техногенной нагрузки на Океан процессы мутации водных организмов, однако миграция многих из них из загрязненных вод в более чистые хорошо видна на примере Черного моря. Пока наибольшие техногенные изменения элементного состава характерны для пресных вод континента. Но природные колебания содержаний отдельных элементов в поверхностных и подземных водах континентов очень велики (табл. 3.5). В связи с этим можно предполагать, что в настоящее время на жизнь организмов в этих водах большее влияние оказывают не изменения концентраций химических элементов, а появление техногенных соединений, не имеющих аналогов в этих условиях.

Отличия содержаний кларков химических элементов в водах Океана и пресных водах континентов (рек) для подавляющего большинства элементов не существенны (табл. 3.5). Если учесть еще и подземные минерализованные воды, то в водах Океана кларки элементов будут находиться между крайними значениями (минимальными и максимальными) средних концентраций этих же элементов в разных типах вод континентов (табл. 3.5).

Можно считать, что кларки, определенные для нынешнего состояния гидросферы, в наибольшей мере отвечают, во-первых, условиям жизни водных организмов, а во-вторых - миграции элементов, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность современных организмов суши.

Атмосферные газы (табл. 3.6) часто рассматривают совместно с почвенными, так как они вместе определяют процессы жизнедеятельности многих организмов суши.

Кроме перечисленных в табл. 3.6 газов и паров воды, в атмосфере находятся радиоактивные газы (радон и торон), которые иногда (особенно Rn) скапливаются в приземном воздухе, даже в помещениях. Обычно это происходит над залежами урана и тория и над разрывными нарушениями в земной коре. Скопления природных радиоактивных газов могут оказать отрицательное воздействие на жизнедеятельность человека. В последнее время такие образования чаще имеют техногенное происхождение и связаны с "мирным использованием атома".

В воздухе также всегда присутствуют аэрозоли (см. табл. 3.6). Их природная концентрация над континентами измеряется десятками микрограммов.

Таблица 3.6.Постоянные компоненты атмосферного воздуха



в 1м3 газа; над океанами она на порядок меньше. Максимальное содержание аэрозолей отмечается непосредственно над поверхностью Земли и резко уменьшается до высоты 5 км. Изучение состава аэрозолей показало, что в районах отсутствия промышленных предприятий они содержат микроэлементы в следующих концентрациях (в нг/м3*):

n·10 : Zn > Сu > Мn > Сr > Рb > V > Ni > As;

n: Cd > Se > Со; Hg ? 1 - 2; Sb ? 1; Sc ? 0,1 - 1,0.

Такие концентрации рассматриваемых элементов обычны и считаются безвредными.

Значительная часть живого вещества используется в качестве продукта питания для другой его части, включая человека. Основное количество химических элементов, обеспечивающих нормальные процессы жизнедеятельности, люди получают за счет потребления растительных и животных организмов. Содержание элементов в различных видах растений и животных изменяется в довольно широких пределах. Кларковое содержание рассчитано пока только для всей массы живого вещества. При этом за основу бралась фитомасса (масса растительных организмов), резко преобладающая над зоомассой. Данные о среднем содержании ряда химических элементов, наиболее распространенных в живом веществе, приведенные в табл. 3.3 (кларки живого вещества), можно рассматривать как оптимальные для всего блока живого вещества, хотя для отдельных видов (например, для человека) они могут отличаться от приведенных значений (см. табл. 3.4).

По мнению В.И. Вернадского, большая часть химических элементов, составляющих общую массу живого вещества, раз попав в него, практически в нем и остается все время, переходя из одних организмов в другие, включая человека. Однако следует отметить, что существует постоянный отток элементов из живого вещества в окружающую среду в виде газов, водных растворов и минеральных соединений. Например, при бактериальном разложении многих органических соединений образуются газы (преимущественно СО2) и вода. Часть отмерших организмов (в первую очередь скелетные образования, раковины, еще в теле живого организма состоявшие из минеральных соединений) переходит в значительной мере в косное минеральное вещество.

В свою очередь многие химические элементы, ранее входившие в состав косного вещества биосферы, постепенно переходят в живое вещество. К ним относятся не только О, N, Н, С, Са, Мg, но и те, которые составляют менее 0,001% их массы, в том числе металлы. Их количество в результате разнообразных процессов жизнедеятельности людей значительно возросло во всех частях биосферы. В отдельных случаях их концентрация достигла значений, нарушающих саму безопасность этой жизнедеятельности. Многие данные о поглощении металлов организмами (в первую очередь растительными) были получены в процессе поисков месторождений полезных ископаемых при помощи опробования растений (биогеохимическими методами).

Оказалось, что при аномально высокой концентрации отдельных элементов в среде, окружающей и питающей организмы, последние в своем подавляющем большинстве не могут противостоять вхождению в них этих элементов. При этом существенно повышенная концентрация в организмах одних элементов может вызвать повышение или же понижение концентраций в этих же организмах других элементов, независимо от концентрации последних в окружающей среде (В.А. Алексеенко, 1969). Иными словами, аномально высокое содержание в окружающей среде даже одного химического элемента может привести к дисбалансу многих элементов в организме. Аналогично действует на организмы и недостаточная концентрация каких-либо химических элементов в окружающей среде.

Таким образом, и избыток, и недостаток химических элементов в окружающей среде отрицательно сказываются на состоянии живых организмов, а при определенных дозах могут вызвать их смерть. Люди это знали очень давно и не просто использовали целый ряд химических элементов (и их соединений) в качестве ядов, а пытались обезопасить свою жизнь нормированием их концентраций в среде, из которой они могут попасть в организм. До нас дошли сведения о том, что еще в средние века в Германии были сделаны первые попытки государственного нормирования поступления свинца - тяжелого металла, расположенного много ниже "линии жизни", в человеческий организм. В 1548 и 1577 гг. в этой стране были приняты законы, по которым подмешивание свинца к вину (а это делалось для подслащения и улучшения вкусовых качеств) каралось смертной казнью. Позже там же был принят закон, по которому в оловянной посуде ограничивалось содержание свинца.

Довольно давно люди стали и восполнять недостаток определенных химических элементов, поступающих в их организм, для лечения болезней, вызываемых этим недостатком. При расстройстве нервной системы врачи издавна "прописывали бром" (точнее небольшие дозы солей брома). Во избежание порчи зубов, вызванной недостатком фтора, фторируют зубную пасту и питьевую воду. Например, в Пуэрто-Рико эти мероприятия на 65% уменьшили развитие кариеса зубов у детей. (Однако избыток F приводит к разрушению зубной эмали.) Государственный масштаб принимает иодирование пищевой соли (NaCI). Это позволяет избежать ряда болезней, включая такую страшную, как кретинизм. Во всех перечисленных случаях используются только легкорастворимые, а следовательно, и хорошо доступные человеку соединения рассмотренных элементов.

Таким образом, чрезвычайно важно учитывать формы нахождения химических элементов как в среде обитания, так и непосредственно в продуктах питания организмов (включая человека). Формами нахождения химических элементов в среде обитания и в продуктах питания организмов во многом определяются:

состав живого вещества, соотношение в нем химических элементов;

доступность элементов живым организмам (включая человека) и скорость поступления элементов в организмы;

постепенное влияние на организмы изменения концентрации в окружающей среде элементов, даже находящихся в довольно устойчивой в условиях биосферы минеральной форме, о чем можно судить по смене растительных ассоциаций при изменении почвоподстилающих (почвообразующих) пород. Передаваясь по трофическим цепям, такие изменения могут воздействовать на здоровье человека. При этом в определенных случаях может уменьшаться безопасность жизнедеятельности.

Распределение химических элементов в среде обитания организмов

Проблема установления границ безвредных концентраций химических элементов в окружающей и питающей среде довольно давно стояла перед человечеством. Развитие и существование жизни на Земле, кроме двух рассмотренных факторов (содержание и форма нахождения химических элементов в среде обитания), обусловлены еще и распределением элементов в той крупной геохимической системе, которая является окружающей (питающей) средой для рассматриваемых организмов. Если говорить о жизни на Земле вообще (а сюда входит и жизнь людей), то геохимической системой, составляющей окружающую среду для всего блока живых организмов, будут верхние части земной коры. Рассмотрим распределение химических элементов в верхних частях земной коры и его изменение во времени. Для этого были введены такие понятия, как абсолютный и относительный разброс, характеризующие сложные неоднородные геохимические системы (В.А. Алексеенко, 1997).

Абсолютный разброс (АР) представляет собой отношение максимального фонового содержания элемента в одной части неоднородной геохимической системы к минимальному фоновому в другой части этой системы. В случае земной коры частями этой неоднородной геохимической системы являются участки, сложенные породами разных типов. Вместо фоновых содержаний при изучении рассматриваемой системы нужно использовать кларковые содержания пород различных типов.

Относительный разброс (ОР) представляет собой отношение значений абсолютных разбросов одного и того же элемента в рассматриваемой геохимической системе до и после изучаемых процессов. Можно считать, что в первый период существования планеты Земля ее поверхность была сложена магматическими породами. Следовательно в этот период АР каждого элемента характеризовался отношением его кларкового содержания в одном типе магматических пород к минимальному в другом типе магматических пород (см.табл. 3.2). Полагая, вслед за В.И. Вернадским, что жизнь на Земле возникла практически одновременно с ее формированием, можно считать, что в этот период значения АР в магматических породах определяли оптимальные колебания содержаний элементов в среде обитания всего блока живых организмов.

Как видно из табл. 3.2, значения АР для разных элементов рассматриваемого периода существования Земли колебались от 1,3 до 127. Чем меньше были значения АР отдельных элементов, тем к меньшим последующим изменениям содержаний этих элементов были "подготовлены" первые организмы.

В процессе своего развития и жизнедеятельности эти организмы способствовали выветриванию магматических и образованию за их счет осадочных пород. В результате в геохимической системе, представляющей поверхность Земли (в горных породах континентов), изменились значения АР (табл. 3.2). Мерой этих изменений стал ОР. В этот период элементы с большими значениями ОР должны были сильнее воздействовать на развитие жизни и появление мутантов. Такими элементами на континентах можно считать (с учетом их положения относительно линии жизни) Hg, S, Se, N, В (В.А. Алексеенко, 1997).

Дальнейшие изменения АР, охватывающие значительные части поверхности Земли, были связаны с космическими катастрофами и с формированием региональных геохимических аномалий рудных районов и узлов. К настоящему времени значение АР<10 характерно лишь для Bi, W, Аu, Вr, Р, Zn, Ag, J, Be (табл. 3.2). Если за граничное значение принять 20, то к перечисленным элементам добавятся As, Cd, Ga, Mo, Pb, S, V, Yb, Sn, F, и ряд лантаноидов. Резкое увеличение их разброса в результате техногенных процессов может вызвать крайне нежелательное воздействие на развитие жизни вообще и на безопасность жизнедеятельности людей.

Антропогенные процессы, приводящие к загрязнению среды, окружающей человека, способствуют глобальному усилению неравномерности распределения химических элементов и возрастанию АР. В этом направлении наибольшие изменения могут в первую очередь произойти в распределении вышеперечисленных химических элементов с малыми значениями АР.

Анализируя сказанное о распределении во времени химических элементов на поверхности Земли, можно считать, что:

изменяющееся распределение элементов не могло не повлиять на развитие организмов;

основные изменения АР, связанные с появлением и площадным развитием донных океанических осадков и осадочных пород, происходили постепенно, эволюционно. Кроме них были и изменения АР, развивающиеся катастрофически быстро. Они оказывали наибольшее негативное воздействие на существовавшие в то время организмы, что и подтверждается имеющимися данными;

последствия современных антропогенных процессов по своей значимости и скорости развития приближаются к катастрофическим изменениям АР в истории Земли. Это необходимо учитывать при решении вопросов, связанных с проблемами безопасности жизнедеятельности.

Подводя итог рассмотрению влияния химического состава среды обитания организмов на развитие этих организмов, можно сделать следующие выводы:

Наиболее опасными для развития живых организмов, а следовательно и для всех процессов жизнедеятельности людей являются последствия антропогенной деятельности, приводящие к увеличению неравномерности распределения химических элементов и к значительному возрастанию ОР по отношению к АР в породах и почвах континентов.

Необходимо учитывать, что районы с повышенным содержанием элементов, расположенных в удалении и ниже линии жизни, менее благоприятны для жизнедеятельности людей.

Среди районов с существенно пониженной концентрацией отдельных химических элементов менее благоприятны те, в которых понижены концентрации элементов, находящихся на линии жизни или вблизи нее.

Среди рассмотренных химических элементов для человека наиболее опасны резко повышенные и резко пониженные концентрации тех из них, которые находятся в форме различных водных растворов, аэрозолей, хорошо растворимых соединений и биогенных соединений, представляющих собой продукты питания.

Ориентировочно "безвредными" для жизнедеятельности человека, как и подавляющего большинства живых организмов, могут считаться кларковые содержания химических элементов в горных породах и почвах, в пресных и морских водах, в атмосферном воздухе и в живом веществе, представляющем собой продукты питания. Именно в районах с содержаниями элементов, близкими к кларковым, безопасность жизнедеятельности с точки зрения геохимических особенностей среды обитания людей может считаться наибольшей.

Практическая работа №14. Правовые основы международного сотрудничества в сфере охраны окружающей среды

МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

В 1972 г. в Стокгольме при ООН была создана специальная структура United Nations Environment Programme (ЮНЕП), под эгидой которой на средства ООН разрабатывались и реализовывались различные международные программы по охране окружающей среды. В частности, так осуществлялась борьба с опустыниванием в Африке и на других континентах.

Большое развитие природоохранные работы на международном уровне получили и под эгидой ЮНЕСКО. В первую очередь это относится к программе Man and Biosphere (МАБ), принятой в 1970 г. Она состоит из 14 разнопрофильных проектов - биоэкологических, геоэкологических и социоэкологических. В такой последовательности можно расположить, например, проекты "Сохранение природных районов и содержащегося в них генетического материала", "Изучение загрязнения окружающей среды и его воздействия на биосферу" и "Понимание состояния окружающей среды".

Начиная с 1975 г. во многих странах стали применять оценку воздействия на окружающую среду (ОВОС). Поэтому Международный комитет по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) выпустил специальную работу, которой в России дали рекламный заголовок "Вторжение в природную среду" (1983). Говоря словами этой работы, "ОВОС - это процесс определения и прогнозирования результатов действия на биогеофизическую среду, на здоровье и благополучие человека, а также интерпретация и передача информации о воздействии".

В 1979 г. в Женеве подписана Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (CLRTAR). Документ стимулировал разработку пяти специализированных программ международного сотрудничества, подготовленных Рабочей группой европейской экономической комиссии ООН. Среди них важнейшие - это европейская Программа мониторинга переноса воздушных загрязнений (ЕМЕР), Программа лесного мониторинга (IСI Forest) и Программа интегрального мониторинга (ICP IM). Все программы призваны обеспечить достоверные оценки глобальных и региональных трансграничных воздействий.

В 1982 г. Генеральная Ассамблея ООН приняла Всемирную хартию природы, принципы которой гласят: 1) природа должна охраняться, а основные процессы в ней - не нарушаться; 2) генетическое разнообразие на Земле не должно ставиться под угрозу; 3) принципы охраны природы должны распространяться на всю Землю - и на сушу, и на океан; 4) все экосистемы и природные ресурсы должны использоваться так, чтобы сохранялась оптимальная устойчивая продуктивность; 5) природа должна быть застрахована от деградации, связанной с военными действиями.

Хартия отразила стремление общества к сохранению природных равновесий, хотя их утрата во многом уже произошла.

В 1983 г. в Вашингтоне прошла конференция "Мир после ядерной войны". Доклады американских ученых К. Сагана, П.Эрлиха, С. Шнейдера, а также российского ученого В.В. Александрова показали, что в случае такой войны и наступления вследствие нее "ядерной зимы" погибнет не только все человечество, но и почти все группы земных организмов, кроме наиболее примитивных. В России работы выполнялись по инициативе Н. Н. Моисеева, а представление о "ядерной зиме" выдвинул в конце 1970-х годов. П. Крудцен (ФРГ) (см. главу 6).

Этот важнейший шаг мировой науки спас человечество и биосферу от катастрофы, так как в 1987 г. закончилась холодная война между Востоком и Западом. Нет сомнения, что подписание исторического соглашения между СССР и США на уровне глав двух великих держав, Генерального секретаря ЦК КПСС М.С. Горбачева и Президента США Р. Рейгана, было прямым следствием понимания политиками гибельности для обеих сторон и всего мира дальнейшего противоборства и гонки вооружений.

Концепция "ядерной зимы" не только обогатила мировую науку, но и показала также, какую огромную цену заплатили страны Варшавского договора, и особенно СССР, с одной стороны, а также страны НАТО - с другой, за невежественную тупиковую политику противостояния на грани войны. Разрядка напряженности была жизненно нужна миру.

В 1987 г. Всемирная комиссия ООН по окружающей среде и развитию поставила вопрос о необходимости поиска новой модели развития цивилизации в докладе "Наше общее будущее", известном как доклад Г.X. Брундтланд, которая возглавляла работу. Был введен термин "устойчивое развитие", означавший удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущего населения Земли.

Усилия резко улучшить ситуацию в деле охраны и управления окружающей средой на глобальном и региональном уровнях были предприняты в 1992 г. в Рио-де-Жанейро, где состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию на уровне глав государств и правительств. В число трех главных приоритетов, декларированных

Конференцией ООН, стали: 1) сохранение биоразнообразия; 2) противодействие потеплению климата; 3) борьба с опустыниванием. Форум призвал страны мира искать пути перехода к устойчивому развитию.

По оценкам ученых, цивилизация уже перешагнула все допустимые пределы своего роста и без существенного уменьшения потоков материальных и энергетических ресурсов в мире в ближайшие десятилетия произойдет неконтролируемое сокращение производства энергии, промышленных изделий и продовольствия в пересчете на одного человека. Но создание устойчивого общества пока возможно.

Экономическая и технологическая основа для этого у человечества еще есть. Однако необходимы кардинальные изменения. В социальной сфере это: 1) осуждение и отход от политики и практики, способствующих росту населения и уровня потребления; 2) акцент на достаточности, равенстве и качестве жизни, а не объеме производства; 3) повсеместное распространение морали добра, сострадания, мудрости, взаимопомощи. В сфере экономики: 1) потребление возобновимых ресурсов не должно превышать масштабов их восстановления; 2) использование невозобновимых ресурсов не должно обгонять разработку и производство заменяющих их возобновимых материалов; 3) интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать возможности окружающей среды поглощать их; 4) все это должно быть обеспечено быстрым повышением эффективности использования сырья и энергии.

Таким образом, в конце XX в. идея баланса общества и природы облеклась в конкретные предложения.

Конец XX в. можно считать временем, когда человечество осознало опасность экологической катастрофы, но еще не выработало надежной стратегии для защиты от нее. Представление об устойчивом развитии как будто бы хорошо согласуется с тем, что происходит в развитых странах с низкой плотностью населения. Однако для перенаселенных стран с высоким приростом населения и к тому же с бедными природными ресурсами важнейшим приоритетом является борьба с голодом и нищетой, из-за чего экологические цели оставляются этими странами без внимания и реализуются только тогда, когда от них напрямую зависит развитие экономики.

МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ И ПРОЕКТЫ

В конце 1960-х годов многие страны осознали, что необходима координация усилий по сбору, хранению и переработке данных о состоянии окружающей среды. В 1972 г. в Стокгольме прошла Конференция по охране окружающей среды под эгидой ООН, где впервые возникла необходимость договориться об определении понятия "мониторинг". Решено было термин мониторинг окружающей среды понимать как комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Термин появился как дополнение к термину контроль за состоянием окружающей среды (см. главу 16).

В зависимости от критериев и уровней выделяют различные виды экологического мониторинга. Наиболее высокий уровень - глобальный.

На глобальном уровне задачи экологического мониторинга особенно сложны. Если мониторинг на региональном уровне, как правило, является внутригосударственной задачей, то глобальный мониторинг - задача всего мирового сообщества. К концу XX в. сформировалась своего рода структура - глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС).

Цели ГСМОС определяются в ходе международного сотрудничества в рамках различных международных организаций, соглашений (конвенций) и деклараций. В общем виде целью ГСМОС является изучение Земли.

Идея создания ГСМОС была высказана на первой - Стокгольмской - Конференции ООН по окружающей среде в 1972 г. Ее реальные основы были заложены на специальной встрече в Найроби (Кения) в 1974 г., где была уточнена роль агентств и государств-членов ООН.

Часто используется другое название глобального мониторинга - фоновый мониторинг, или мониторинг фонового загрязнения окружающей природной среды.

В настоящее время создана мировая сеть станций фонового мониторинга, на которых осуществляется слежение за определенными параметрами состояния окружающей природной среды. Наблюдения охватывают все типы экосистем: водные (морские и пресноводные) и наземные (лесные, степные, пустынные, высокогорные). Эта работа проводится под эгидой ЮНЕП и координируется ЮНЕСКО.

Станции комплексного фонового мониторинга РФ расположены в шести биосферных заповедниках и являются частью глобальных международных наблюдательных сетей.

С 1977 г. ряд международных организаций (ЮНЕП, ВОЗ, ЮНЕСКО, ВМО) ведут сотрудничество в осуществлении первой глобальной Программы мониторинга и оценки качества воды рек, озер, водохранилищ и подземных вод (ГСМОС/ВОДА) в рамках глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС).

Материалы, документы и руководства, разработанные в рамках программы, нашли отражение в многочисленных публикациях.

К настоящему времени создана стандартизованная глобальная сеть, проведен анализ актуальных вопросов: глобальной оценки качества пресной воды и состояния пресноводных экосистем, опасности воздействия различных загрязняющих веществ, прежде всего токсичных, а также анализ влияния разрушительной практики землепользования.

Задача изучения Земли как целостной природной системы поставлена Международной геосферно-биосферной программой (МГБГТ), осуществление которой началось с 1986 г.

В основу этой исследовательской программы положены междисциплинарные исследования по ряду ключевых проектов. В основном проекты ориентированы на изучение изменений климата. Руководителями большей части проектов были ученые и специалисты США; у нас эту задачу взяла на себя программа "Глобальные изменения природной среды и климата". Работы выполняются на основе широкого применения космических средств наблюдений.

МГБП предусматривает разработку семи ключевых направлений.

Закономерности химических процессов в глобальной атмосфере и роль биологических процессов в круговоротах малых газовых компонентов. Проекты, выполняемые по этим направлениям, ставят целью, в частности, анализ последствий изменения содержания озона в стратосфере и проникновения к земной поверхности биологически опасной УФ-радиации, оценку влияния аэрозолей на климат и др.

Влияние биогеохимических процессов в океане на климат и обратные влияния. Проекты включают комплексные исследования глобального газообмена между океаном и атмосферой, морским дном и границами континентов, разработку методик прогнозирования реакции биогеохимических процессов в океане на антропогенные возмущения в глобальном масштабе, изучение Мирового океана.

Изучение прибрежных экосистем и влияния изменений землепользования.

Взаимодействие растительного покрова с физическими процессами, ответственными за формирование глобального круговорота воды. Проводятся исследования по Программе глобального эксперимента по изучению круговорота энергии и воды как дополнение к исследованиям по Всемирной программе исследований климата.

Влияние глобальных изменений на континентальные экосистемы. Разрабатываются методики прогноза воздействий изменений климата, концентрации углекислого газа и землепользования на экосистемы, а также обратных связей; исследуются глобальные изменения экологического разнообразия.

Палеоэкология и палеоклиматические изменения и их последствия. Проводятся исследования с целью реконструкции истории изменений климата и окружающей среды за период с 2000 г. до н.э. с временным разрешением не менее 10 лет.

Моделирование земной системы с целью прогноза ее эволюции. Создаются численные модели в глобальном масштабе, делаются количественные оценки взаимодействия глобальных, физических, химических и биологических интерактивных процессов в земной системе на протяжении последних 100 тыс. лет и др.

Центральный проект МГБП - "Глобальный анализ, интерпретация, моделирование" (Global Analysis, Interpretation and Modeling). Анализ полученных по этому проекту данных породил сомнения во всемогуществе математического моделирования. Трудности связаны с тем, что моделирование, успешно работавшее на глобальном уровне, оказалось в затруднении на региональном уровне. Результативность его существенно снижалась при упрощении набора рассматриваемых факторов и абстрагировании от неравновесных и переходных состояний.

Наиболее важные выводы, полученные при подведении итогов МГБП за период 1986-1996 гг., а также возможные действия для снижения негативных последствий антропогенного воздействия сводятся к следующему.

1. Наиболее ярким интегральным индикатором состояния биосферы служит газовый состав атмосферы, исследования которого проводились в рамках проекта "International Global Atmospheric Chemistry". Его изменения на протяжении последних десятилетий вызваны промышленной и сельскохозяйственной деятельностью. Особенностью атмосферы Земли является отсутствие термодинамического равновесия, что является прямым следствием взаимодействия биосферы и атмосферы. Это взаимодействие реализуется через фотосинтез и дыхание, микробную активность в почвах и ветландах.

Взаимодействие океана с атмосферным аэрозолем служит побудительным процессом образования облаков, роль которых в изменении климата еще количественно не определена. В исследованиях по проекту океан рассматривался как резервуар углекислоты; карбонатное равновесие в нем регулирует в зависимости от температуры поглощение или выделение углекислоты в атмосферу. Модели привели к выводу о глобальном поглощении углерода океаном в пределах 2±0,8 Гт в год. Региональные модели показали правомерность этого вывода для Тихого, но не для Южного океана, экваториальной зоны или Северной Атлантики. Региональные особенности имеют решающее значение для перераспределения потоков тепла в рамках общего баланса.

Сформулировано два подхода к регулированию антропогенного изменения климата: снижение антропогенной эмиссии парниковых газов или адаптация хозяйства к таким изменениям.

Установлен "удобрительный" эффект углекислоты. Оказалось, что все экосистемы увеличивают первичную продукцию при росте концентраций углекислоты, но северные - в наименьшей степени. Удвоение может вызвать не более чем 5 %-ный рост урожая. Эффект существенно зависит от времени, скорости миграции, ландшафтных процессов.

2. Работами по проекту "Биосферные аспекты гидрологического цикла" (Biospheric Aspects of Hydrological Cycle) установлено, что вклад испарения воды растительным покровом в глобальный гидрологический цикл весьма значителен. Сделано заключение о том, что пресная вода контролирует гидрологический и биогеохимический циклы, а также условия жизни населения.

3. Соответствие разработанных моделей реальной истории климата на Земле проверялось в рамках проекта "Глобальные изменения в прошлом" (Past Global Changes). На основе анализа льда, взятого сотрудниками антарктической станции "Восток", который сформировался в течение последних 100 тыс. лет, сделан вывод о четкой корреляции между содержанием в атмосфере диоксида углерода, метана и температурой, что на первый взгляд подтверждает существование парникового эффекта. Однако была обнаружена хорошая корреляция и между положением Земли относительно Солнца и циклами Миланковича1 с периодичностью в десятки тысяч лет. В любом случае, каковы бы ни были антропогенные изменения климата, они накладываются на его естественные вариации, масштаб которых может превышать влияния, обусловленные изменением поверхности Земли и эмиссии парниковых газов.

Выводы из исследований по проекту "Past Global Changes" таковы:

1) антропогенные влияния накладываются на естественную изменчивость природных процессов; понимание и прогноз последствий возрастания концентрации парниковых газов требуют соответствующих знаний;

2) ледяные керны указывают на резкое возрастание концентрации парниковых газов за последние 100 лет, до этого времени она была относительно постоянной;

3) ледяные керны указывают на параллельное изменение концентрации парниковых газов и глобальной температуры;

4) комплекс палеоклиматических данных - древесные кольца, льды, осадки - показывает, что климат в прошлом менялся гораздо сильнее, чем за последние 150 лет (в период инструментальных наблюдений);

5) воздействие изменений климата на природные системы в прошлом было глубоким и далеко превосходящим то, которое допускает современное общество. В палеоклимате отмечено изменение уровня озер, режима рек, случаи экстремальных событий (засухи, наводнения). При повторении этих событий в будущем к ним могут не адаптироваться многие социальные и экономические системы;

6) на промежутках времени больших, чем межледниковье, в котором мы живем, система атмосфера-океан в высокой степени нестабильна. Резкие колебания климата, происходящие на протяжении немногих десятилетий, связаны с мощными изменениями циркуляции океана.