Интенсивное развитие мировой промышленности со второй половины XIX века, возрастающие масштабы сельского хозяйства и резкое увеличение единиц частного, общественного и служебного транспорта со второй половины ХХ века является, с одной стороны, результатом научно-технической революции, привнёсшей в нашу жизнь множество новых технологий. С другой стороны, подобный скачок в большинстве сфер человеческой деятельности представляет собой ответ на мировой демографический взрыв, наблюдающийся в последние несколько десятилетий. Так, за столетие 1820 – 1927 гг. население планеты увеличилось на 1 миллиард (с 1 до 2 миллиардов жителей), а за 50 лет 1960 – 2011 гг. – на 4 миллиарда (в 2011 году численность населения Земли превысила отметку в 7 миллиардов жителей). Основной причиной столь резкого увеличения численности населения являются результаты всё того же научного прогресса – благодаря достижениям в медицине, социальных и других сферах, удалось снизить уровень смертности. Однако, прежде всего, в развивающихся странах (особенно, в азиатских и африканских) рождаемость по-прежнему остаётся высокой, чем и объясняется стремительный рост численности населения. В то же время при большей населённости планеты требуется и большая производительность всех промышленных отраслей для обеспечения приемлемого уровня жизни всех 7 миллиардов. Но ресурсы Земли при этом остаются ограниченными. Учёными было подсчитано, что имеющиеся ресурсы планеты способны без ущерба для окружающей среды обеспечить всем жизненно необходимым лишь 2 миллиарда человек. Таким образом, экологическая нагрузка на планету на сегодняшний день превышает норму в 3,5 раза. Природные и социальные катаклизмы (стихийные бедствия, голод, эпидемии, войны и т.д.), в результате которых сокращается численность населения на той или иной территории, являются реакцией экосферы на такую перегрузку.

Экосфера

Экосфера представляет собой тонкую оболочку планеты, в которой наблюдается взаимодействие человека (т.е., социальной сферы) со всеми геосферами Земли – атмосферой (газовая оболочка земли и взвешенные в ней частицы влаги и пыли), гидросферой (водоёмы, ледники, подземные воды и вода, содержащаяся в живых организмах), верхней частью литосферы (в основном, педосферой – почвенным покровом) и биосферой (совокупностью всех живых организмов планеты).

За последние полтора столетия антропогенное давление на экосферу значительно возросло по рассмотренным выше и другим причинам. В частности, влияние деятельности человека весьма пагубно отразилось и на биосфере – как прямым воздействием на неё, так и косвенно, через ухудшение состояния других компонентов геосферы. В свою очередь, прямое воздействие на элементы биосферы косвенно оказывает негативное влияние на другие части экосферы.

Функции биосферы

Все многочисленные функции биосферы можно объединить в две большие группы – образование биологической продукции и неорганических соединений и обеспечение устойчивого состояния экологических механизмов всех уровней.

Основой жизни на Земле является процесс фотосинтеза – именно на этой стадии происходит преобразование неорганических веществ в органические, т.е., преобразование неживого в живое за счёт использования космической энергии (прежде всего, солнечной радиации). Биологическая продукция, составляющая около 220 миллиардов тонн органического вещества в год, является самым важным возобновимым ресурсом планеты. Именно возможность использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза обуславливает облик нашей планеты, её отличие от прочих планет Солнечной системы. Благодаря оптимальному расположению Земли в системе, она получает достаточное, но не избыточное количество радиации, которое расходуется в том числе и на поддержание жизни на планете. Жидкое ядро планеты вращается медленнее, чем её твёрдые оболочки, что создаёт магнитное поле Земли, за счёт которого планета подвергается меньшему воздействию солнечного ветра, и не получает избытка радиации, способной уничтожить всё живое.

В упрощённом виде, в процессе фотосинтеза растения используют углекислый газ атмосферы, воду и солнечную радиацию для образования кислорода и глюкозы – органического вещества. Далее в растениях и в организмах, поедающих растительность, глюкоза преобразуется в более сложные органические соединения.

Однако ещё более важную роль биосфера играет в стабилизации материальных и энергетических балансов всей экосферы. Каждый живой организм является неотъемлемой частью круговорота воды и большинства химических элементов (прежде всего, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы), а также теплового баланса. Все перечисленные процессы реализуются в естественной среде с крайне высокой точностью. Например, по оценкам учёных, образование и распад органического вещества, другими словами, углеродный баланс, в природе происходит с точностью до сотых долей процента на протяжении десяти тысяч лет. Избыток теплового баланса, т.е., разница между поступающей на Землю радиацией и уходящей от неё в космическое пространство, составляет не более 1%, который, как предполагают учёные, расходуется на эволюцию живых и неживых систем планеты. Таким образом, любые нарушения экосистем приводят к нарушению крайне тонко сбалансированных природных процессов, что приводит к серьёзным, а то и катастрофическим последствиям.

Считается, что доля продуктивной функции биосферы на Земле составляет только 1%, в то время как на долю регулирующей функции приходится 99%. При этом воздействие человека наиболее существенно проявляется как раз в давлении на глобальные циклы Земли, приводящие к высокой степени разомкнутости круговоротов. Например, по оценкам экологов, в начале ХХI века образование антропогенного углерода привело к разнице между вносимым в цепочку углеродом и удаляемым из неё, которая составила 4% от первичной продукции планеты – в 400 раз больше естественной разницы этого элемента на Земле. Происходит это за счёт сжигания огромного количества топлива и крупнотоннажных производств органического сырья (например, различных полимеров). Таким образом, углерод из биосферы и литосферы перемещается в атмосферу со скоростью в сотни и тысячи раз большей естественной. По расчётам, к 2050 году эта разница, или степень разомкнутости баланса, достигнет 10%. Искусственно исключаемый из круговорота углерод возвращается в цикл гораздо медленнее, чем изымается из него, а значит, не может принимать участия и в первой функции биосферы – в производстве биологической продукции.

Проблемы биосферы

Рассмотрим теперь наиболее важные экологические проблемы биосферы, возникшие из-за прямого или косвенного антропогенного воздействия на неё.

Вырубка лесов

К прямым воздействиям человека на биосферу можно отнести вырубку лесов с целью освобождения территорий под пашни, пастбища, города, транспортные магистрали, для создания искусственных водохранилищ. Сюда же относится добыча древесины и промысловых видов животных, ведущая к сокращению биологического разнообразия планеты.

Леса составляют 85% всей мировой фитомассы, они играют роль естественной среды для половины всех биологических видов Земли, хотя занимают площадь не более 5% суши. Кроме того, они являются источником большого разнообразия не только плодов и древесных пород, но и органических соединений – лекарств, красителей, каучуков и т.д.

По оценкам ООН, за первые пять лет ХХI века площадь лесов в мире сократилась на 30 миллионов гектаров. В России с 2001 по 2014 год площадь лесов сократилась более чем на 25 миллионов гектаров (2,2 % от общей площади лесов мира). За всю свою деятельность человек сократил площадь лесов на 10 миллионов квадратных километров, или 36% фитомассы суши. Потеря лесов в таких масштабах приводит к перестройке ландшафтов и нарушению природных процессов на всех уровнях экосистемы. Например, на Мадагаскаре, более 90% территорий, ещё 2000 лет назад бывших плодородными, сегодня подвержены опустыниванию за счёт нарушения гидрологического баланса, качество оставшейся пресной воды значительно ухудшилось, что, в свою очередь, привело к значительному увеличению заболеваемости местного населения.

Сокращение биологического разнообразия

Ещё одной существенной экологической проблемой биосферы является сокращение биологического разнообразия планеты. По оценкам биологов, на сегодняшний день на Земле может обитать около 100 миллионов биологических видов (оценки различных учёных значительно различаются, прежде всего из-за недостоверности сведений о видах насекомых. Вообще, данные о видовом разнообразии даже сегодня ещё довольно скудные). Такое многообразие обуславливает наличие на Земле почти 90 уникальных ландшафтов, включая океанические. Это происходит за счёт того, что на различия фауны, обусловленные непохожестью климата в разных географических поясах, могут накладываться специфические ландшафтные условия, расширяющие биологическое разнообразие. Примерами таких особенных зон являются Новая Гвинея, приатлантическая Бразилия, Восточные Анды и др.

Вымирание видов приводит не только к сокращению биологического разнообразия, но и нарушает стабильность экосистем. Кроме того, при этом создаётся угроза для существования других видов, связанных с жизнедеятельностью исчезающих, а также происходит потеря уникального генетического материала. Например, многие растения являются единственными производителями ценных химических соединений. Так, только сладкая полынь, произрастающая в центральном Китае, является источником артемизинина – соединения, эффективного против малярии.
Среди видов, исчезнувших по вине человека, наиболее часто встречаются эндемики – виды, обитающие в пределах одного ограниченного ареала (например, острова или материка) и не встречающиеся больше нигде в дикой природе. Зачастую развитие технического прогресса или даже определённые исторические события становились причиной вымирания всех представителей того или иного вида. Так, в XVI веке эпоха Великих Географических открытий ознаменовалась не только обнаружением новых для европейцев материков и культур, но и уничтожением нескольких видов грызунов Южной и Центральной Америки. Эти виды не смогли конкурировать с быстро размножившимися корабельными крысами, завезёнными на судах европейских экспедиций – последние вытеснили местных грызунов из их экологической ниши.

Неконтролируемая охота привела к полному исчезновению туров (в XVII веке) – парнокопытных, обитавших в Европе. До XVIII века на территории Северной Америки обитал единственный представитель попугаевых на этом континенте – каролинский попугай. Исчезновение вида стало следствием активного его истребления из-за вреда, который попугай наносил плодовым деревьям, культивируемым в ареале его обитания. По той же причине в начале ХХ века перестал существовать странствующий голубь, своей прожорливостью вредивший сельскохозяйственным угодьям колонистов Северной Америки. Одним из самых известных случаев стремительного уничтожения вида является истребление стеллеровой коровы. Эти животные обитали у поверхности воды Бериногова моря (у побережья Командорских островов), и представляли лёгкую добычу для мореплавателей как источник вкусного мяса. Вид был открыт в 1741 году, а последний представитель вида был уничтожен уже в 1768 году. Аналогична история исчезновения стеллерова баклана и бескрылой гагарки, которые были окончательно истреблены в XIX веке.
Единственным вымершим видом из прирученных человеком является квагга – парнокопытное, похожее по внешнему виду на зебру и уничтоженное в конце XIX века бурами (представители южноафриканских народов) из-за прочной шкуры.

Бывали случаи уничтожения не одного вида, а целой совокупности эндемичных видов. Так, на острове Маврикий, во второй половине XVII — XVIII веках активная хозяйственная деятельность европейцев, открывших для себя этот остров, привела к исчезновению птиц додо (дронтов), на которых велась активная охота из-за вкусного мяса, а гнёзда разорялись завезёнными на остров хищными домашними животными, особенно кошками. По той же причине или из-за нарушения естественных условий обитания навсегда исчезли другие обитатели острова – маврикийские чубатые попугаи, земляные гуси, маврикийские пастушки и утки, некоторые виды цаплевых… Масштабная вырубка лесов с целью высвобождения территорий для сельскохозяйственных нужд на острове Реюньон (Индийский океан), как и на Маврикии, привело к концу XVII-XVIII веков к вымиранию целого ряда представителей местной фауны, особенно птиц. Таким образом, к концу XVIII века были истреблены такие эндемики Маскаренских островов, как сухопутные черепахи, некоторые пресмыкающиеся и множество видов птиц – сов, голубей, цапель, ибисов и др.

Вымирание одного вида нередко приводило к исчезновению других видов, так или иначе связанных с жизнедеятельностью животных, уничтоженных человеком. Так, массовое истребление гигантских лемуров на Мадагаскаре в середине XVII века стало причиной сокращения популяции и, в конечном итоге, полного вымирания мадагаскарских виверр – хищников, часто нападавших на истреблённых лемуров.
Таким образом, три важнейшие проблемы биосферы на сегодняшний день – это обезлесивание и напрямую связанное с ним опустынивание, а также сокращение биологического разнообразия.

Загрязнение водоемов

Воздействие человека на другие компоненты геосферы всегда в той или иной степени влияет и на биосферу. Так, чрезмерное загрязнение водоёмов промышленными отходами может стать причиной не только гибели части местной флоры и фауны, но и более сложных процессов, косвенно приводящих к тем же результатам, например, к эвтрофикации.

Экстенсивное сельское хозяйство

Интенсивное развитие сельского хозяйства в ХХ веке, особенно в его третьей четверти, привело к стремительному истощению плодородия почв. Использование тяжёлой сельскохозяйственной техники приводит к необратимому уплотнению верхних, наиболее важных слоёв почвы, использование удобрений приводит к засолению и асидификации (подкислению почвы), а неправильное использование водных ресурсов – к подтоплению или заболачиванию, а также к водной эрозии. Таким образом, при возрастающей потребности населения в продуктах сельского хозяйства, снижается ёмкость почв. Как правило, в большинстве стран мира данная проблема решается путём интенсивного развития сельского хозяйства, а не экстенсивного, т.е. нацелена на непрерывное увеличение используемых мощностей, а не на более разумное развитие качества агрономических технологий. В истощённые почвы с каждым новым сезоном вносится всё большее количество удобрений, однако эта мера способствует повышению урожая только до определённого момента. Спустя некоторое время обогащение почвы удобрениями перестаёт влиять на урожайность, а в некоторых случаях даже снижает её. Зато при этом со сточными водами с полей вымывается огромное количество соединений азота и фосфора, составляющих основу большинства удобрений. Попадая в замкнутые водоёмы, эти соединения улучшают в них условия для размножения простейших растений, за относительно короткое время покрывающих значительную поверхность. Организмы, обитающие в толще водоёма, получают меньше солнечного света, а размножившиеся простейшие растения и микроорганизмы поглощают большое количество кислорода, растворённого в воде. В результате разлагающиеся останки погибших из-за недостатка света и кислорода обитателей водоёма становятся источником токсичных веществ, что, в свою очередь, способствует дальнейшему угнетению жизни в озере, которое постепенно превращается в болото, или в море, где ухудшается экологическая ситуация в прибрежных районах, что наносит экономический ущерб рыболовству. Таким образом, стремление к временному решению одной проблемы приводит к возникновению другой, не менее важной и глобальной. Как видим, в описанной цепочке процессов задействованы сразу три компонента экосферы – антропогенное воздействие на педосферу (внесение удобрений в почву) через гидросферу (сточные воды) влияет на биосферу (водные организмы).

Применение пестицидов

Другим примером подобного негативного косвенного воздействия может служить применение в сельском хозяйстве пестицидов – соединений, предназначенных для борьбы с вредителями (плесенями, сорняками, насекомыми, грызунами).

Во-первых, подавляющее большинство пестицидов не избирательны, и от их применения сокращается не только численность вредителей, но и количество полезных для урожая организмов. Так, в некоторых земледельческих районах в связи с применением пестицидов в десятки и сотни раз сократилась численность дождевых червей, перерабатывавших около 10 кг почвы с квадратного метра за год, что отрицательно сказывается на качестве и плодородии почвы. Многие же вредители, напротив, через 5-10 поколений вырабатывают устойчивость к ядам и перестают реагировать на вносимые пестициды.

Во-вторых, все пестициды являются ксенобиотиками (не встречающимися в естественной природе веществами), и имеют крайне длительные времена разложения. Таким образом, они аккумулируются в почве, откуда также, как и удобрения, вымываются в водоёмы. Там они потребляются водной фауной, многократно увеличивая свою концентрацию в организме с продвижением по пищевой цепочке вверх. Так, концентрация широко ранее применявшегося пестицида ДДТ в зоопланктоне озера Мичиган выше его концентрации в воде в 350 раз. Его содержание в мелкой рыбе, питающейся планктоном возрастает ещё в 2 раза, в крупной рыбе, потребляющей мелкую – ещё в 20 раз, и, наконец, концентрация ДДТ в рыбоядных птицах возрастает ещё примерно в 10 раз. Таким образом, содержание ДДТ в организме рыбоядных птиц превышает его концентрацию в озёрной воде почти в 200 тысяч раз.

Таким образом, в настоящее время практически любая хозяйственная деятельность человека крайне негативно отражается на функционировании тех или иных элементов экосферы, нарушая множество природных балансов и зачастую приводя к катастрофическим последствиям.
Начиная с конца ХХ века экологическая обстановка в мире привлекла внимание учёных, в результате чего за последние десятилетия появились несколько междисциплинарных наук (например, геоэкология), поскольку решение экологических проблем не может быть осуществлено в рамках только одного научного направления. За несколько десятилетий работы специалистами намечены основные принципы управления экологическими ресурсами, которые включают в себя следующие пункты.

Обезлесивание

Для предотвращения последствий обезлесивания следует ограничить использование лесных ресурсов для различных нужд, а использование тропических лесов допускать только после всесторонней оценки выгод и потерь от предполагаемого использования. Не стоит упускать из вида и возможность использования деградировавших лесов для различных хозяйственных нужд – это позволит сохранить большие площади ещё нетронутого леса в первозданном виде. А вот леса, выполняющие особые экологические роли (сохранение биологического разнообразия, системы водосбора и др.), вообще не должны подвергаться антропогенному вмешательству. Одна из организаций, контролирующих реализацию этих принципов – Международная Организация по древесине, в состав которой входят как страны – поставщики лесных ресурсов умеренного и тропического поясов, так и их потребители.

Опустынивание

Для борьбы с проблемами опустынивания в 1994 г. была принята Международная Конвенция по борьбе с опустыниванием, одним из важнейших пунктов которой является стратегия управления территориями, подверженных опустыниванию, основанная на научном анализе совокупности множества естественных, экономических и социальных факторов, влияющих на деградацию земель. В том числе это означает грамотное распределение пашен и пастбищ на определённых территориях, в зависимости от степени их опустынивания (например, в пустынях возможно только кочевое скотоводство, а в лесистых саваннах эффективнее заниматься подсечным земледелием).

Проблему сокращения биологического разнообразия предлагается решать двумя типами способов – в естественной среде обитания видов и вне её (ботанические сады, зоопарки, генетические банки). С этой целью создаются заповедники, национальные парки, дендрарии и другие виды охраняемых территорий. Одной из главных задач, стоящих перед Всемирным Союзом охраны природы считается расширение площади таких территорий до 10% мировой суши (без ледников). Основным документом, регулирующим взаимоотношения человека с биосферой является Международная конвенция ООН по охране биологического разнообразия, вступившая в силу с 1993 года.