16 Март 2011

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ»




Сукцессия, начинающаяся на участке, который прежде не был занят (на по-токе застывшей лавы, например), называется первичной сукцессией, тогда как сук-цессия, начинающаяся на площади, с которой удалено прежнее сообщество (например, на лесной вырубке или заброшенном поле), называется вторичной сукцессией. Различают сукцессии зоогенные (вызванные необычно сильным воздействием животных), фитогенные, антропогенные, а также катастрофические (следствие пожаров, ветровала, загрязнение воды или атмосферы и т.д.).
5.1.2. Тенденции изменения основных характеристик экосистем
Биоэнергетика развития экосистемы. Аутогенная сукцессия при заселении новых территорий (возникших в результате извержения вулканов, строительства новых водохранилищ) обычно начинается с несбалансированного сообщества. Метаболизм в таком сообществе характеризуется тем, что валовая продукция (P) либо больше, либо меньше дыхания (R), в зависимости от того: является ли сукцессия автотрофной (P > R) или гетеротрофной (P < R); и процесс направлен в сторону более сбалансированного состояния, когда P = R. Иными словами, в зрелой, или климаксной, экосистеме наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы (то есть суммарным дыханием сообщества). Таким образом, отношение P/R является функциональным показателем относительной зрелости экосистемы.
Пока P больше R, в системе будут накапливаться органическое вещество и биомасса (B), в результате чего отношение B/P будет увеличиваться. Отношение биомассы к продукции возрастает в течение сукцессии до тех пор, пока не произойдет стабилизация экосистемы, в которой на единицу доступного потока энергии будет приходиться максимум биомассы и симбиотических связей между организмами (или высокое содержание информации). Итак, B/P ? max в климаксных системах. Как следствие этого, чистая продукция сообщества велика на ранних стадиях и мала в зрелой системе.
Круговорот биогенных элементов. Важной тенденции в развитии сукцессии являются увеличение времени оборота и повышение способности к сохранению и регенерации веществ. Все это приводит к замыканию или «уплотнению» биогеохимических циклов основных биогенных элементов, таких, как азот, фосфор и кальций.
Индекс возобновления (CI), равный отношению регенерированной части (то есть используемой неоднократно) на входе к выходу, устойчиво возрастает по мере созревания системы. Биогены удерживаются более долгое время и используются повторно, при этом необходимость их притока уменьшается. Таким образом, в процессе развития экосистемы возрастает запас и степень возобновления биогенных элементов, в результате необходимый уровень поступления этих элементов на вход для поддержания единицы биомассы снижается.
В ходе сукцессии происходит смена источника азота с нитрата на аммоний. При переходе с нитрата на аммоний уменьшается количество энергии, расходуемое на регенерацию азота, и возрастает, следовательно, эффективность использования энергии.
Изменение видовой структуры экосистемы. Характерная черта большинства сукцессионных серий — это более или менее непрерывная смена видового состава экосистемы во времени, называемая часто «флористической» и «фаунистической» эстафетой.
На вырубке или заброшенной пашне в определенной последовательности появляются сначала травянистые растения, далее — в результате налета семян — всходы деревьев и кустарников, причем обычно сначала развиваются светолюбивые и относительно быстрорастущие лиственные породы, и лишь по прошествии определенного времени под пологом лиственных начинают расти хвойные. Пример такой сукцессии — смена березы елью, ели — сосною, осины — дубом и т.п.
Наиболее резко меняется видовой состав сообщества при смене доминирую-щих жизненных форм растений (травы — кустарники — сосны — лиственные поро-ды). Не один вид растений или животных не может процветать на протяжении всей сукцессии. Максимумы разных видов приходятся на разные точки временной шкалы.
При сукцессии изменяется качественный состав видов. На ранних стадиях сукцессии, когда плотность населения мала, преобладает r-отбор, то есть успешно вселяются виды с высокой скоростью размножения и роста, так называемые r-стратеги, для которых характерен экспоненциальный рост их численности. При равновесной плотности, характерной для поздних стадий сукцессии, давление отбора благоприятствует К-стратегам, то есть видам с низким потенциалом роста, но более высокой способностью к выживанию в условиях конкуренции, и r-стратеги в широких масштабах замещаются К-стратегами.
Происходящий при сукцессии переход от количества продукции к качеству сопровождается генетическими изменениями, охватывающими всю биоту, которые проявляются в увеличении размеров организмов и в усложнении и удлинении их жизненных циклов. Мелкие организмы обладают селективным преимуществом в среде, богатой биогенами и компонентами минерального питания. Однако по мере развития экосистемы неорганические биогенные элементы оказываются все более и более связанными в биомассе, так что селективное преимущество переходит к более крупным организмам, способность к запасанию веществ у которых выше и жизненные циклы сложней. Благодаря этим свойствам они адаптированы к использованию сезонных или периодических поступлений биогенов или других ресурсов.
По мере развития сукцессии возрастает видовое богатство сообщества как компонент разнообразия и возрастает выравненность как компонент разнообразия. Характер изменения видового разнообразия — непрерывный рост или прохождение пика в промежуточной стадии — зависит от соотношения двух процессов, а именно от возрастания числа потенциальных ниш в результате увеличения биомассы, стратифицированности и других последствий биологической организации, и от противоположных эффектов увеличения размеров организмов и конкурентного исключения среди хорошо адаптированных долго живущих доминантов, которые снижают видовое разно-образие.
Возрастание стабильности систем. При сукцессии в значительной степени развивается взаимовыгодный симбиоз, возрастает резистентная устойчивость, снижается упругая устойчивость, возрастает эффективность использования энергии и биогенных элементов.
Современные экологи рассматривают сукцессию с точки зрения самоорганизации экосистемы и самоорганизацию как свойство неравновесных термодинамических систем. Сукцессия протекает таким образом, что система накапливает разнообразие и специализацию до тех пор, пока уровень неопределенности окружающей среды не обратит дальнейшее усложнение организации во вред системе. Самоорганизующиеся диссипативные системы развиваются во времени так, чтобы оптимизировать свою независимость (сложность биомассы и потоков в сетях). Таким образом, самоорганизованное развитие — это свойство экосистем.
5.1.3. Концепция климакса
Климаксом называют терминальную стабилизированную экосистему или, иногда, окончательную фазу развития экосистемы, в которой она устойчиво удерживается длительное время практически при любой амплитуде внешних воздействий.
Теоретически климаксное сообщество поддерживает само себя неопределенно долго, все внутренние его компоненты уравновешены друг с другом, и оно находится в равновесии с физической средой.
Обычно критерием того, является ли данное сообщество климаксным или нет, служит видовой состав. Однако одного этого критерия недостаточно, поскольку видовой состав заметно меняется в ответ на сезонные и кратковременные колебания погоды, даже если экосистема в целом остается стабильной. Наилучшим критерием терминальной стабилизации климакса служит отношение P/R. В климаксном сообществе в отличие от развивающихся стадий и других переходных сообществ годовая продукция P и «импорт» уравновешиваются годовым потреблением (дыханием) R и «экспортом».
Особенно удобно использовать отношение P/R для характеристики некоторых циклических сукцессий как климаксных, если для них брать P и R как усредненные значения за период цикла. Циклические сукцессии обычно имеют место, когда в силу периодических возмущений внешней среды или вследствие характера развития самого сообщества изменения в нем происходят через более или менее регулярные промежутки времени.
Удобно, хотя и несколько произвольно, различать для данной области:
1) единственный региональный, или климатический климакс, находящийся в равновесии с общими климатическими условиями;
2) различное число локальных, или эдафических климаксов, которые представ-ляют собой модификации стационарных состояний, соответствующие особым местным условиям субстрата.
В тех местах, где рельеф местности, почва, водный режим и регулярные воз-мущения, например пожары, препятствуют развитию экосистемы до теоретического конечного состояния (климатического климакса), сукцессия заканчивается эдафическим климаксом.
Аутогенная экологическая сукцессия происходит в результате изменений ок-ружающей среды, вызванных самими организмами. Поэтому, чем более экстремальны физические условия среды, тем труднее становится модификация окружающей среды и тем больше вероятность того, что развитие сообщества прекратится, не достигнув теоретического регионального климатического кли-макса.
Человек сильно влияет на ход сукцессии и достижение климакса. Под влиянием человека может сформироваться либо антропогенный субклимакс, либо дисклимакс (то есть нарушенный климакс), которые принципиально отличаются от климатического или эдафического климакса. Например, чрезмерный выпас может привести к преобразованию степи — климатического климакса — в пустынное сообщество — дисклимакс. Пустынное сообщество в таких условиях — показатель бесхозяйственности человека, тогда как в регионе с настоящим пустынным климатом его следует считать естественным.
Сельскохозяйственные экосистемы, остающиеся долгое время стабильными, определенно можно рассматривать как климаксы, поскольку в среднем за год «импорт» и продукция уравновешивают дыхание и «экспорт» (урожай), и ландшафт при этом из года в год не меняется. Примерами длительного антропогенного стационарного состояния являются сельское хозяйство в Голландии и Бельгии и древняя культура риса на Востоке. К сожалению, многие системы ведения сельского хозяйства, особенно в тропиках и орошаемых пустынях, никоим образом нельзя считать стабильными, так как эти системы подвержены эрозии, выщелачиванию, засолению и нашествиям вредителей. Поддержание высокой продуктивности таких систем требуют все возрастающих энергетических субсидий, а слишком крупные субсидии могут оказаться стрессовыми для системы.
5.2. ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ
Рассмотрим главнейшие, экологические законы, они приведены в алфавитном порядке.
Закон биогенной миграции атомов (или закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществ-ляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов. Так происходило и в геологическом прошлом, миллионы лет назад, так происходит и в современных условиях. Живое вещество или принимает участие в биохимических процессах непосредственно, или создает соответствующую, обогащенную кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среду. Этот закон имеет важное практическое и теоретическое значение. Понимание всех химических процессов, которые происходят в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности — эволюционных. В наше время люди влияют на состояние биосферы, изменяя ее физический и химический состав, условия сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это послужит причиной очень отрицательных изменений, которые приобретают способность саморозвиваться и становятся глобальными, неуправляемыми (опустынивание, деградация грунта, вымирание тысяч видов организмов). С помощью этого закона можно сознательно и активно предотвращать развитие таких отрицательных явлений, руководить биогеохимическими процессами, используя «мягкие» экологические методы.
Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных естественных систем и их ие-рархии очень тесно связанные между собою, так что любое изменение одного из показателей неминуемое приводит к функционально-структурным изменениям других, но при этом сохраняются общие качества системы — энергетические, информационные и динамические. Следствия действия этого закона обнаруживаются в том, что после любых изменений элементов естественной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости естественных процессов и т.п.) обязательно развиваются цепные реакции, которые стараются нейтрализовать эти изменения. Следует отметить, что незначительное изменение одного показателя может послужить причиной сильных отклонений в других и в всей экосистеме.
Изменения в больших экосистемах могут иметь необратимый характер, а лю-бые локальные преобразования природы вызовут в биосфере планеты (то есть в глобальном масштабе) и в ее наибольших подразделах реакции ответа, которые предопределяют относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное возрастание эколого-экономического потенциала ограниченное термодинамической стойкостью естественных систем.
Закон внутреннего динамического равновесия — один из главнейших в природопользовании. Он помогает понять, что в случае незначительных вмеша-тельств в естественную среду ее экосистемы способны саморегулироваться и восстанавливаться, но если эти вмешательства превышают определенные границы (которые человеку следует хорошо знать) и уже не могут «угаснуть» в цепи иерархии экосистем (охватывают целые речные системы, ландшафты), они приводят к значительным нарушениям энерго- и биобаланса на значительных территориях и в всей биосфере.
Закон генетического разнообразия: все живое генетическое разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.
Закон имеет важное значение в природопользовании, в особенности в сфере биотехнологии (генная инженерия, биопрепараты), если не всегда можно преду-смотреть результат нововведений во время выращивания новых микрокультур через возникающие мутации или распространение действия новых биопрепаратов не на те виды организмов, на которые они рассчитывались.
Закон исторической необратимости: развитие биосферы и человечества как целого не может происходить от более поздний фаз к начальным, общий процесс развития однонаправленный. Повторяются лишь отдельные элементы со-циальных отношений (рабство) или типы хозяйничанья.
Закон константности (сформулированный В. Вернадским): количество живого вещества биосферы (за определенное геологическое время) есть величина постоянная. Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия. По закону константности любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемое приводит к такой же по объему изменения вещества в другом регионе, только с обратным знаком.
Следствием этого закона есть правило обязательного заполнения экологиче-ских ниш.
Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье): в организме как целостной системе все его части отвечают одна другой как за строением, так и за функциями. Изменение одной части неминуемо вызовет изменения в других.
Закон максимизации энергии (сформулированный Г. и Ю. Одумами и допол-ненный М. Рэймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая наибольшее оказывает содействие поступлению энергии и ин-формации и использует максимальную их количество наиэффективнее. Для этого такая система, большей частью, образовывает накопители (хранилища) высококачественной энергии, часть которой тратит на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный кругооборот веществ и создает механизмы регулирования, поддержки, стойкости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами. Максимизация — это повышение шансов на выживание.
Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского-Бауэра): любая биологическая и «бионесовершенная» система с биотой, которая находится в со-стоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.
В процессе эволюции видов, твердит Вернадский, выживают те, которые уве-личивают биогенную геохимическую энергию. По мнению Бауера, живые системы никогда не находятся в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, которого требуют законы физики и хими за существующих внешних условий.
Вместе с другими фундаментальными положениями закон максимума биогенной энергии служит основой разработки стратегии природопользования.
Закон минимума (сформулированный Ю. Либихом): стойкость организма определяется самым слабым звеном в цепи ее экологических потребностей. Если количество и качество экологических факторов близкие к необходимому орга-низму минимума, он выживает, если меньшие за этот минимум, организм гибнет, экосистема разрушается.
Поэтому во время прогнозирования экологических условий или выполнение экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.
Закон ограниченности естественных ресурсов: все естественные ресурсы в условиях Земли исчерпаемые. Планета есть естественно ограниченным телом, и на ней не могут существовать бесконечные составные части.
Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне в результате процессов, которые сопровождают дыхание. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) попадает очень мало начальной энергии (не большее 0,25%), термин «кругооборот энергии» есть довольно условным
Закон оптимальности: никакая система не может суживаться или расши-ряться к бесконечности. Никакой целостный организм не может превысить оп-ределенные критические размеры, которые обеспечивают поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования.
В природопользовании закон оптимальности помогает найти оптимальные с точки зрения производительности размеры для участков полей, выращиваемых животных, растений. Игнорирование закона — создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками и т.п. — привело к неприродной однообразности на больших территориях и вызвало нарушение в функционировании экосистем, экологические кризы.
Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеманом): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другого переходит в среднем не более 10 % энергии.
По этому закону можно выполнять расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения население продовольствием и другими ресурсами.
Закон равнозначности условий жизни: все естественные условия среды, не-обходимые для жизни, играют равнозначные роли. Из него вытекает другой закон-совокупного действия экологических факторов. Этот закон часто игнори-руется, хотя имеет большое значение.
Закон развития окружающей среды: любая естественная система разви-вается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно — это вывод из законов термодинамики.
Очень важными являются следствия закона:
1. Абсолютно безотходное производство невозможное.
2. Любая более высокоорганизованная биотическая система в своем развитии есть потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождение жизни — оно будет уничтожено уже существующими организмами
3. Биосфера Земли, как система, развивается за счет внутренних и космических ресурсов.
Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании: в процессе получения из естественных систем полезной продукции с течением времени (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека). Так, ныне за-траты энергии на одного человека за сутки почти в 60 раз большие, чем во времена наших далеких предков (несколько тысяч лет тому) . Увеличение энерге-тических затрат не может происходить бесконечно, его можно и следует рассчитывать, планируя свои отношения с природой с целью их гармонизации.
Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха-Тинемана-Бауле): объем урожая зависит не от отдельного, пусть даже лимити-рующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов од-новременно. Частицу каждого фактора в совокупном действии ныне можно подсчитать. Закон имеет силу при определенных условиях — если влияние мо-нотонное и максимально обнаруживается каждый фактор при неизменности других в той совокупности, которая рассматривается.
Закон толерантности (закон Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Соответственно закону любой излишек вещества или энергии в экосистеме становится его врагом, загрязнителем.
Закон грунтоистощения (уменьшение плодородия): постепенное снижение естественного плодородия почв происходит из-за продолжительного их использования и нарушения естественных процессов почвообразования, а также вследствие продолжительного выращивания монокультур (в результате накопления токсичных веществ, которые выделяются растениями, остатков пестицидов и минеральных удобрений).
Закон физико-химического единства живого вещества (сформулиро-ванный В. Вернадским): все живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу. Из этого явствует, что вредное для одной части живого вещества вредит и другой его части, только, конечно, разной мерой. Разность состоит лишь в стойкости видов к действию того ли другого агента. Кроме того, через наличие в любой популяции более или менее стойких к физико-химическому влиянию видов скорость отбора за выносливостью популяций к вредному агенту прямо пропорциональная скорости размножения организмов и дежурство поколений. Через это продолжительное употребление пестицидов экологически недопустимое, так как вредители, которые размножаются значительно более быстро, более быстро приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится все более увеличивать.
Закон экологической корреляции: в экосистеме, как и в любой другой системе, все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально отвечают один другому. Выпадание одной части системы (вида) неминуемо приводит к выключению связанных с ею других частей экосистемы и функциональных изменений.
Научной общественности широко известны также четыре закона экологии американского ученого Б. Коммонера:
1) все связанное со всем;
2) все должно куда-то деваться;
3) природа «знает» лучше;
4) ничто не проходится напрасно (за все надо платить).
Как отмечает М. Реймерс, первый закон Б. Коммонера близкий по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия, второй — к этому же закону и закону развития естественной системы за счет окружающей среды, третий — предостерегает нас от самоуверенности, четвертый — снова затрагивает проблемы, которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития естественной системы. По четвертому закону Б. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем у нее, иначе катастрофа с течением времени неминуемая.
Следует вспомнить также важные экологические законы, сформулированные в работах известного американского эколога Д. Чираса в 1991-1993 гг. Он подчеркивает, что Природа существует вечно (с точки зрения человека) и сопротивляется деградации благодаря действию четырех экологических законов: 1) рецикличности или повторного многоразового использования важнейших веществ; 2) постоянного восстановления ресурсов; 3) консервативного потреб-ления (если живые существа потребляют лишь то (и в таком количестве), что им необходимо, не больше и не меньше); 4) популяционного контроля (природа не допускает «взрывного» роста популяций, регулируя количественный состав того ли другого вида путем создания соответствующих условий для его существования и размножения). Важнейшей задачей экологии Д. Чирас считает изучение структуры и функций экосистем, их уравновешенности, или неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансирования экосистем.
Таким образом, круг задач современной экологии очень широкий и охва-тывает практически все вопросы, которые затрагивают взаимоотношения человеческого общества и естественной среды, а также проблемы гармонизации этих отношений. Из сугубо биологической науки, которой была экология всего каких-то 30 — 40 лет тому, сегодня она стала многогранной комплексной наукой, главной целью которой есть разработка научных основ спасения человечества и среды его существование — биосферы планеты, рационального приро-допользования и охраны природы. Ныне экологическим воспитанием охватываются все слои населения на планете. Познание законов гармонизации, красоты и рациональность природы поможет человечеству найти верные пути выхода из экологического кризиса. Изменяя и в дальнейшем естественные условия (общество не может жить иначе), люди будут вынуждены делать это обдуманно, взвешенно, предусматривая далекую перспективу и опираясь на знание основных экологических законов.

6. БИОСФЕРА И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ
6.1. БИОСФЕРА ЗЕМЛИ
6.1.1. Общие свойства биосферы
Одной из наиглавнейших особенностей планеты Земля есть существование на ней жизни. Этим она отличается от всех своих соседок по Солнечной системе. Больше того, научные данные свидетельствуют, что такая форма жизни, как на Земле (единственная известная форма), а именно белково-нуклеиновая, существует благодаря объединению нескольких благоприятных астрономических факторов. К ним принадлежат такие: постоянство светимости нашей звезды — Солнца, что существенно не изменялась на протяжении 4.5 млрд. лет существо-вания Земли; большая масса Земли, достаточная для того чтобы удержать вокруг себя довольно плотную атмосферу, большое количество воды на Земле и т.п. Среди этих благоприятных факторов наверное самым удивительным является орбита Земли. Американский ученный М. Харт доказал, что если бы расстояние между Землей и Солнцем была на 5% меньшей или на 1% большей, жизнь на ней была бы невозможной — в первом случае на Земле было бы слишком жарко (как на Венере), во втором — слишком холодно, и Земля постоянно находилась бы в условиях глобального ледникового периода (как Марс).
Область существования живых организмов на Земле называют биосферой (сферой жизни). Впервые этот термин ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1875 г., но распространился он после издания в 1926 г. труда выдающегося ученного В. Вернадского, основателя и первого президента Академии наук Украины. Живые существа (растения, животные, микроорганизмы) существуют на поверхности Земли, в ее атмосфере, гидросфере и верхней части литосферы, в целом образуя пленку жизни (сферу) на нашей планете. Верхняя граница биосферы простирается на 85 км над поверхностью Земли. На таких высотах (в стратосфере) во время запусков геофизических ракет в пробах воздуха обнаружены споры микроорганизмов, правда в латентном (спящем) виде из за слишком неблагоприятных условий существования. Нижняя граница биосферы достигает глубин литосферы, где температура становит 1000С (в молодых складчатых областях — это приблизительно 1.5 — 2 км и на кристаллических щитах — 7-8 км). Однако В.И. Вернадский справедливо относил к биосфере и все горные породы, созданные за счет жизнедеятельности организмов (так называе-мые былые биосферы, или палеобиосферы), а поскольку почти все породы осадочного чехла Земли так или иначе есть продуктом жизнедеятельности живот-ных и растений, нижняя граница должна находится на глубине 10-15 км ниже земной поверхности.
Приспосабливаемость живых организмов удивляет. Так, живые бактерии обнаружены в горячих гейзерных источниках с температурой до 980 С, активная и довольно разнообразная жизнь бурлит в трещинах антарктических ледников и на наибольших глубинах Мирового океана, даже в океанических водах пораженных сероводородом, также существуют специфические серные бактерии. Когда американские астронавты доставили на Землю для исследования некоторые детали своей автоматической станции «Сервейер», которая три года находилась на поверхности Луны, то в одной из трубок была найдена живая спора бактерии — она попала туда с Земли во время подготовки к запуску станции и сохранила жизнеспособность, несмотря на трехгодовое пребывание в условиях космического вакуума, резких колебаний температуры и высокого уровня радиации.
В. Вернадский доказал, что живые организмы играют очень важную роль в геологических процессах, которые формируют лицо Земли. Химический состав современных атмосферы и гидросферы обусловленный жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы для формирования литосферы — большинство пород, и не только осадочных, а и таких как граниты, так или иначе связаны своим происхождением с биосферой. «Если бы на Земле не было жизни, — писал ученый, — лицо ее было бы таким же неизменным и химически инертным, как недвижимое лицо Луны, как инертные обломки небесных светил».
Минеральное инертное вещество перерабатывается жизнью, превращается в новое качество. Живые организмы не только приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их меняют. Таким образом, живое и неживое ве-щество на Земле составляют гармоничное целое, что, собственно, и называется биосферой. Согласно с образным высказыванием российского геолога М. Вас-соевича, «биосфера — это и жильцы, и дом, и мы в нем».
Одним из проявлений биологической активности организмов есть скорость их размножения. При идеальных условиях (теоретически) она может достигать скорости звука. Так, К. Линней подсчитал, что три мухи могут съесть антилопу с такой же скоростью, как это делает лев (учитывая скорость размножения мух). Одноклеточная водоросль диатомея теоретически способна за восемь дней создать массу живой материи которая равна земной, а на протяжении сле-дующего дня удвоить ее.
Согласно последним оценкам, сухая масса живого вещества на Земле составляет 2-3 триллиона тонн. Это по сравнению с основными сферами земли очень малая величина. Она например, в 1000 раз меньшая за массу тропосферы, в 10 млн раз — за массу земной коры и в миллиард — за массу Земли. Однако живое вещество отличается от неживого очень высокой активностью, в частности, очень быстрым круговоротом веществ. Все живое вещество атмосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса мирового океана восстановляется за 33 дня, его фитомасса каждый день, фитомасса суши — приблизительно за 14 лет из за большей продолжительности жизни наземных растений. Следует учесть, что жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов сопровождается непрерывным обменом веществ между организмами и средой, в следствии чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многоразово входили в состав тех или иных организмов. Подсчитано, что вся вода планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в растительных и животных организмах, то есть обновляется биосферой приблизительно за 2 млн. лет. Образно выражаясь, мы дышим воздухом, которым дышали динозавры, и пьем воду, которая входила в состав тканей юрских папоротников и кембрийских трилобитов.
Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной энергии. Например, залежи каменного угля — это не что иное, как солнечная энергия, накопленная зелеными растениями минувших геологических эпох. Так же можно определить и природу многих минералов, в частности карбоната кальция, который образует огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет круговорот азота, серы, фосфора и других элементов. Установлено что любой растворимый, но не летучий элемент может совершать круговорот только через биосферу. Живые ор-ганизмы накапливают некоторые элементы в своих тканях, а водные жители, кроме того, увеличивают их содержание и в своей среде жизни, то есть в воде (например такие элементы, как молибден, кобальт, никель находятся в водной среде в значительно большем количестве нежели на суше).
Очевидно что за миллиарды лет геологической истории жизнь неузнаваемо изменила внешние оболочки нашей планеты.
6.1.2. Состав и функционирование биосферы
Живой мир Земли, ее биосфера, состоит из организмов трех типов.
Продуценты, или автотрофы, — это организмы, которые производят органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей. К этому типу принадлежат растения, которых на Земле есть около 350 000 видов.
Консументы, или гетеротрофы — это организмы, которые получают энергию за счет питания автотрофами или другими консументами. К ним принадлежат травоядные животные, хищники и паразиты, а также хищные растения и грибы. Количество видов этой группы наибольшая — свыше 1.5 млн.
Редуценты — микроорганизмы, которые разлагают органическое вещество продуцентов и консументов до простых соединений — воды, углекислого газа и минеральных солей. Их насчитывается 75 тыс. видов.
Все это огромное количество живых существ находится в очень сложных взаимоотношениях между собой и с неживым веществом. Количество возможных связей между членами экологической системы определяется за формулой:
A = (N(N-1))/2,
где А — число связей; N — число видов в экосистеме.
Если, например, в какой то экосистеме находится 1 тыс. видов, то число связей и взаимоотношений между ними будет расчитываться таким образом:
(1000*999)/2,
то есть будет составлять 500 тыс. Среди этих многочисленных связей есть очень важные, незаменимые. Вмешательство человека в процессе деятельности в био-сферные взаимосвязи, о значении которых большей частью не имеет правильного представления, часто приводит к нежелательным следствиям. Например, в 30-ые года в Норвегии было решено истребить хищных птиц (полярных сов и ястребов), что уменьшали численность ценной промышленной птицы — полярной куропатки. Объявленные льготы и премии послужили причиной повсеместного отстрела охотниками хищных птиц. Сразу же после этой акции среди куропаток вспыхнула эпидемия, которая почти полностью уничтожила их популяцию. Оказалось, что совы и ястребы выполняли роль санитаров, которые поедало в первую очередь больных, ослабленных куропаток и таким образом предотвращали распространению эпидемии. Неразумное вмешательство в процесс, становление которого длилось тысячелетиями, вызвало относительно инициаторов акции «эффект грабель» (если человек, который неосмотрительно наступает на зубцы, получает удар рукояткой по лбу).
Биосферные связи складывались на протяжении продолжительного времени. В природе нет лишнего, ненужного.
Система связей в биосфере чрезвычайно сложная и пока что расшифрованная лишь в общих чертах. Главнейшим звеном (или блоком) управления есть энергия — преимущественно энергия Солнца, второстепенная — энергия внутреннего тепла Земли и радиоактивного распада элементов. Безжизненной частью биосферы, ее безжизненным веществом руководят продуценты, ними — консументы, деятельность которых определяют обратные связи, которые идут от продуцентов. В результате осуществляется биотический кругооборот веществ в биосфере приблизительно по такой схеме.
1. Продуценты (растения) с помощью механизма фотосинтеза вырабатывают органическое вещество, потребляя солнечную энергию, воду, углекислый газ и минеральные соли. Хемопродуценти используют энергию химических реакций, например, окисления соединений железа или серы, и тоже вырабатывают органическое вещество.
2. Консументы (травоядные животные) питаются органической массой растений. Консументи второго и третьего порядков (хищники, паразиты, хищные растения и грибы) потребляют других консументов.
3. Редуценты потребляют часть питательных веществ, раскладывают мертвые тела растений и животных к простым химическим соединениям (воды, углекислого газа и минеральных солей), замыкая таким образом кругооборот веществ в биосфере.
В целом биосфера очень похожая на единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз — динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и стойкость основных функций. С точки зрения кибернетики (теории управления), в каждом биоценозе, то есть совокупности организмов, которые населяют определенный участок суши или водоема, есть управляющая и управляемая подсистемы. Роль управляющей подсистемы выполняют консументы. Они не разрешают растениям слишком разрастаться, поедая «лишнюю» биомассу. За травоядными пристально «следят» хищники, предотвращая их чрезмерному размножению и уничтожению растительности. Управляющей подсистемой для этих хищников есть хищники второго рода и паразиты, которыми «руководят» сверхпаразиты, и т.д. Поэтому на Земле существует много видов животных. Среди них нет «лишних» ли «вредных», такие эпитеты дает им человек. Особенностью биосферных связей есть и то, что управляющая и управляемая подсистемы в ней часто меняются местами. Так, уменьшение количества растительного корма вызывает снижение численности хищников и паразитов через механизм обратной связи.
Кроме энергетических, пищевых и химических связей, огромную роль в био-сфере сыграют информационные. Живые существа Земли освоили все виды информации — зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Инфор-мативные сигналы сами по себе не способные вызвать обратной реакции через энергетическую слабость, но содержат важные сведения в закодированной форме. Они расшифровываются (большей частью автоматически) и учитываются живыми организмами. Способность воспринимать, сохранять и передавать информацию есть и у безжизненных объектов. Эти процессы в них осуществляются путем общего энергоинформационного обмена. Живые системы могут также обрабатывать, накапливать и использовать информацию в отдельности от энергии. Русский биолог О. Пресман определяет биосферу как систему, в которой вещественно-энергетические взаимодействия подчинены информационным.
Примером информационных связей в биосфере может быть явление снижения интенсивности размножения животных в случае чрезмерной плотности популяции. Не всегда это обусловлено недостатком корма или загрязнением среды вредными отходами жизнедеятельности. Результаты опытов свидетельст-вуют, что уменьшение потомства у млекопитающих или снижения яйценоскости у птиц происходит вследствие «перенаселения» территории. Здесь действуют именно информационные связи, если включаются какие-то внутренние механизмы, которые приводят к уменьшению количества «лишних» особей.
Эффективность информационных связей в биосфере поражает. Например, са-мец мотылька тутового шелкопряда ощущает присутствие самки на расстоянии 2 км. Расчеты свидетельствуют, что такой феномен не может базироваться на химических сигналах, скажем, на действии каких-то ароматных веществ-антрактантов, которые выделяет самка. Вероятно, имеет место передача электромагнитных сигналов, причем за типом, который «отец кибернетики» Н. Винер назвал «тот, кого это касается». Возможно, именно загрязнением информационной среды, которое вызвано деятельность человека, следует объяснять загадочные случаи массового «самоубийства» китов, которые выбрасываются на сушу? Ведь пространство вокруг Земли ныне перенасыщенное искусственными антропогенными источниками электромагнитного поля.
Обобщая результаты исследований в отрасли геологии, палеотологии, био-логии и других естественных наук, В. Вернадский пришел к выводу что биосфера — это стойкая динамическая система, равновесие, которое установилось в основных своих чертах …. с археозоя и неизменно действует на протяжении 1.5 — 2 миллиарда лет». Он доказал, что стойкость биосферы за это время обнару-живается в постоянстве ее общей массы (около 1019 т), массы живого вещества (1018 т), энергии, связанной с живым веществом (1018 ккал), и среднего химического состава всего живого. Стойкость биосферы Вернадский связывал с тем обстоятельством, что «функции жизни в биосфере — биогеохимические функции — неизменные на протяжении геологического времени, и ни одна из них не появилась сызнова с ходом геологического времени». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, то есть стойкость ее сущест-вования была сразу начатая ее сложностью.
Вернадскому принадлежит открытие такого основного закона биосферы: «Количество живого вещества есть планетной константой из времен архейской эры, то есть за все геологическое время». На протяжении этого периода живой мир морфологически изменился неузнаваемо, но такие изменения заметно не повлияли ни на количество живого вещества, ни на его средний валовой состав. Дело здесь в том, как считает Вернадский, что «в сложной организованности биосферы происходили в границах живого вещества лишь перегруппирования химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества».
6.2. ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ
Все эволюционные теории, начиная с той, которая была начатая Ч. Дарвином, базируются на представлении о развитии от простого к сложному. Это представление сталкивается с противоречиями, которых накапливается все больше. В частности, оно противоречит известному в кибернетике правилу Эшби: управляемая система никогда не может быть более сложной от управляющей, она всегда более простая. Это правило иногда высказывают так: горшок никогда не может быть более сложным за гончара. Открытие и изучение генетического кода свидетельствует, что индивидуальное развитие любого живого существа (онтогенез) и развитие систематической группы существ (филогенез) быстрее похожие на редактирование и распечатка готового текста или введения в ЭВМ программы, зашифрованной в дискете. При этом наблюдается такой парадокс: организмы воссоздают себя, то есть воссоздают новые организмы без уменьшения сложности своего строения. Наоборот, па-леонтологам известные такие продолжительные периоды эволюции, на протяжении которых сложность организмов увеличивалась А тем временем попытки кибернетиков создать автоматы, способные самовозобновлять себя (то есть «размножаться»), натолкнулись на непреодолимое препятствие: в процессе самовоспроизведения механических систем неминуемое наблюдается уменьшение Их сложности («вырождение»). Причину такого несоответствия живых и механических систем М. Камшилов усматривает в том, что «живые организмы также не являются самовоспроизводимыми. Они воссоздают себя в условиях чрезвычайно сложной среды — биосферы». Другими словами, организмы по-лучают некоторые «руководящие указания», информацию из внешней среды, из биосферы, причем система, которая руководит развитием индивида, развертыванием информации, записанной в его генетическом коде, намного более сложного самого организма Что же это за система?
В последнее время все более убедительными кажутся выводы В. Вернадского о том, что биосфера в своем развитии руководствуется информацией, которая поступает из Космоса. Он утверждал, что «космические излучения, которые идут от всех небесных тел, охватывают биосферу, пронизывают всю ее и все в ней… Биосферу нельзя понять в явлениях, которые в ней происходят, если будет упущена эта ее резко выступающая связь со строением всего космического механизма».
Впервые теснейшую связь процессов в биосфере с космическими, солнечными процессами открыл выдающийся русский ученый О. Чижевский. Он доказал, что биосфера находится под влиянием многих электромагнитных и дру-гих излучений, которые поступают от Солнца и отдаленных галактик. Урожайность сельскохозяйственных растений, периоды массового размножения многих животных, таких, как саранча, лемминги и т.п., эпидемии, пики сердечно-сосудистых заболеваний людей и много других процессов в биосфере, теснейшим чином связанные с процессами на Солнце (солнечными вспышками, пятнами и т.п.). «Мы — дети Солнца», — так образно высказался Чижевский.
Универсальную роль носителей информации в биосфере сыграют электромагнитные поля. Это обусловлен тем, что из всех известных нам мыслимых типов связи именно связь на основе электромагнитных полей есть наиболее информативным и экономической. Электромагнитные поля как средство связи в биосфере сравнительно с звуковой, световой или химической информацией имеют такие преимущества:
» распространяются в любой среде жизни — воде, воздухе, грунте и тканях организмов;
» имеют максимальную скорость распространения;
» могут распространяться за любой погоды и независимо от времени поры;
» могут передаваться на любое расстояние;
» могут поступать на Землю из Космоса;
» на них реагируют все биосистемы (в отличие от других сигналов).
Раньше биологи учитывали лишь электромагнитные излучения Солнца в высокоэнергетическом участке его спектра — инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые части диапазона — как источник энергии для всего живого. Лишь в последние десятилетия они начали давать себе отчет в той роли, которую сыграют в живой природе электромагнитные поля земного и космического происхождения в диапазонах радиочастот, низких и инфранизких частот. Оказа-лось, что именно эти слабые энергетическое сигналы несут информацию, которая воспринимается, накапливается и используется организмами. Это вопросы еще очень мало изучены. Тем не менее на основании тех сведений, которые имеют сегодня гелио- и космобиологи, можно утверждать, Что функционирование биосферы в целом связанно с информационными сигналами космического происхождения. Как считает американский биолог К. Гробстайн, «невозможно рассматривать жизнь как сугубо земное явление — оно стало неотъемлемой от Вселенной и ее эволюции».
Установлено, что чувствительность организмов к электромагнитным сигналам увеличивается с осложнением строения организмов. Так, позвоночные животные намного чуствительнее к электромагнитным полям, чем беспозвоночные и тем более — простейшие. С осложнением биосистем возрастает их способность накапливать слабые сигналы и воспринимать ту информацию, ко-торую они несут.
Из времен появления работ Ч. Дарвина традиционно считается, что генетиче-скую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. При этом совсем не учитывается, что лучше всего приспособленные к разнообразнейший земным условиям именно простейшие существа — бактерии, сине-зеленые водоросли. Они существуют на Земле без заметных перемен своей организации на протяжении миллиардов лет. Простейшие властвовали на нашей планете в архейскую эру и из того времени настолько существенным образом изменили окружающую среду и биосферу в целом, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынужденные были отойти на задний план.
Сегодня прокариоты (простейшие организмы без клеточного ядра) процве-тают там, где никто другой существовать не может — в концентрированных рассолах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Эти организмы действительно хорошо приспособлены к условиям среды. Они действуют за стратегией максимальной стойкости, консерватизма, сохранение достигнутого уровня совершенства. Имея качества, которые надежно обеспечивают жизнедеятельность прокариота и записанные в его генетической системе, он делает все новые и новые копии этого генетического текста. Как образно высказался Р. Баландин, у таких организмов «торжествует стандартизация, а творческие порывы приглушенные или запрещенные».
Другим примером эволюционного тупика есть история муравьев и термитов. Колонии этих насекомых идеально приспособились к условиям жизни, создав свои подземные хранилища и искусственно поддерживая в них климат той далекой эпохи, если они впервые появились на Земле. Развитие муравьев и термитов прекратилось по крайней мере в палеогене, то есть 65 млн. лет тому.
Появление евкариотов (организмов, в клетках которых есть ядро), сначала одноклеточных, а со временем и многоклеточных, начала новую стадию эволюционного развития — проявление кооперации. Объединение организмов (симбиоз, кооперация) обеспечивало более интенсивное усвоение свободной энергии. Значение кооперативных связей на протяжении всей истории эволюции биосферы беспрерывно возрастало и стало решающей с появлением на Земле Разума. Более широкие возможности для развития имеют те организмы, которые, легко изменяясь, черпают новую информацию от других организмов и из окружающей среды, в частности с Космоса. У этих организмов (а их сегодня на Земле большинство) ярко выраженный, по словам Р. Баландина, «порыв к разнообразию, неожиданных решений, свободы творчества». Конечно, наиболее полно эти качества оказались в гоминид, поэтому они и основали носителя Разума.
Итак, биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизнь на Земле, причем очень быстро и уже в довольно сложном виде. К. Циолковский считал, что многочисленные виды простейших организмов зародились на Земле од-новременно. Эту же мысль неоднократно подчеркивал В. Вернадский, считая, что комплекс одноклеточных организмов, способных не только существовать и воссоздаваться в окружающей среде, но и активно перестраивать его, за немного дней мог сформироваться и распространиться по всей поверхности планеты. В работе «Биогеохимические очерки» он пишет: «Следует неминуемо предположить, что, может, и менее сложная в основных чертах, чем сегодняшняя, и все же очень сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как одно целое в догеологический ее период. Создался целый монолит жизни (жизненная среда), а не отдельный вид живых организмов…»
За три миллиарда лет комплекс простейших организмов (прокариотов) неузнаваемо изменил жизненную среду на Земле — состав ее атмосферы, гидросферы, верхних пластов литосферы. Не имея способности изменять себя, прокариоты (сине-зеленые водоросли, хемотрофные бактерии и т.п.) вынужденные были отступать, освобождая место для более сложных организмов с эффективной энергетикой. Ныне прокариоты остались преимущественно в таких биологических нишах, которые за своими характеристиками напоминают ранний докембрий — горячих источниках, бассейнах, пораженных сероводородом, и т.п. Они осваивают также ландшафты, которые создает человек своей непродуманной деятельностью. Уничтожая высокоорганизованные группы растений и животных (то есть конкурентов прокариотов), мы одновременно возвращаем в биосферу те вещества, которые были выведены из нее и захороненны в осадочных породах за счет жизнедеятельности простейших организмов — углекислый газ, оксиды серы, тяжелые металлы, соединения азота, фосфора и т.п. Таким образом, мы создаем такую среду, где нет места не только высшим организмам, но и нам самым.
Печальным примером такой деятельности есть «цветение» водохранилищ. Зарегулировав сток Днепра (резко затормозив его течение), «подкармливая» эти застойные бассейны тысячами тонн фосфорных и азотных удобрений, которые смываются из полей, уничтожая пестицидами, которые в большом количестве попадают у моря с тех же полей, речной планктон, мы создаем идеальные условия для массового размножения сине-зеленых водорослей, вследствие чего вода становится отравляющей для всех других жителей. На березе Киевского или Каховского водохранилищ можно видеть результаты этого явления в виде валков из скелетов рыбы, трупы которой выброшен на берег волнами. Да и просто гулять берегом «рукотворного моря» не всегда приятно — если оно «цветет», стоит такой смрад, что пилоты самолетов, которые пролетают этой территорией, вынужденные плотно затворять иллюминаторы…
Сам творец теории естественного отбора Ч. Дарвин не мог объяснить такого явления, если в процессе эволюции часто имеют преимущества не наиболее про-грессивные формы. Напомним основные положения теории дарвинизма: любая черта организма закрепляется в следующих поколениях, если благодаря ей этот организм лучшее приспосабливается к условиям жизни. Естественная среда именно выполняет отбор — поэтому он и называется естественной. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и дать большее потомков.
В последнее время ученые открывают все больше исключений из этого, каза-лось бы, стройного правила. Скажем, известный немецкий биолог Э. Майр обращает внимание на несоответствие закону естественного отбора процесса эволюции самого человека. По этому закону более приспособленной к окружающей среде есть умный просвещенный человек, который хорошо ориентируется в жизненных обстоятельствах — интеллектуал. Доказано также, что интеллект, главным образом, обусловленный генетической склонностью. Тем не менее статистические сведения свидетельствуют, что люди, профессии которых требуют высокого интеллекта и вдобавок имеют более высокий уровень жизни, рождают у среднему меньше потомков, чем неквалифицированные рабочие. Что же значит, что человек деградирует? Многочисленные примеры этого мы видим и среди разных групп животных.
Чем же обусловленная изменчивость живых существ вообще? Знаменитый французский природовед Ж. Ламарк считал, что основной движущей силой эволюции есть влияние окружающей среды. Скажем, предки жирафа попали в савану. Чтобы достаться к питательным листкам деревьев, жираф «тренировал» свою шею, стараясь ее продлить. Выживали и давали потомков лишь длинношеие особи. Эту мысль привел к полнейшему абсурду Т. Лысенко, отстаивая «мичуринские» идеи, скажем, овес может превратиться на овсюг, а пшеница на рожь в зависимости от условий окружающей среды (влажности, температуры и т.п.).
Открытие генетического кода разрешило приблизиться к разгадке этой тайны. Оказалось, что в двойной спирали ДНК зашифрованные все сведения об организме, и в соответствии с этой программой происходит его индивидуальное развитие. Все сведения о будущем существе — ее рост, стать, цвет глаз и т.п. — закодированные в крохотной по объему и массой молекулярной структуре. Например, информация о ките, масса которого достигает 50000000 г, заложенная в ДНК его оплодотворенного яйца, масса которого составляет всего 0.000000000000001 г. Итак, масса кита в процессе онтогенеза возрастает на 22 порядка! Такой плотности записи информации, которой достигла природа в структурах, которые руководят наследственностью современная кибернетика добиться не может.
Значит, изменчивость организмов, появление новых видов в процессе эволю-ции связанные с изменениями записи в генетическом коде. Доказано, что генетическая информация поднимается под влиянием мутагенных факторов — радиации, активных химических веществ, таких как пестициды и т.п. А тем временем окружающая среда все больше загрязняется этими факторами вследствие технологической деятельности человечества. Стоит вопрос, не ли готовим мы самые себе «генетическую катастрофу»?
На основании достижений генетики можно считать, что эволюция органического мира происходит по счет появления мутаций, то есть случайных отклонений в генетической записи под влиянием активных мутагенных факторов окружающей среды. В случае, если эти новые свойства являются выгодными для организма, они закрепляются естественным отбором.
Тем не менее результаты исследований генетиков свидетельствуют, что абсо-лютное большинство мутаций вредная для организма. Особи, которые по-являются на мир после мутагенного влияния радиации или химикатов, есть бесплодными, нежизнеспособными, безобразными и т.п. Накопление мутаций генетического кода образно можно сравнить с накоплениями ошибок в тексте книжки. Возникновение нового вида организмов за счет мутаций есть таким же маловероятным, как появление нового текста за счет увеличения количества ошибок. Кроме того, организм «сопротивляется» этому процессу — генетикам известный механизм «ремонта» поврежденного генетического кода, который действует автоматически в сложном наследственном аппарате и восстанавливает поврежденная запись (в случае, если повреждение есть не весьма значительными). Известно также, что искусственно созданные путем гибридизации новые виды имеют тенденцию с течением времени «расщепляться» на своих предшественников (например, гибрид волка и собаки через несколько поколений снова расщепляется на волков и собак). Это как же возникают новые виды растений и животных?
Если бы эволюция действительно происходила путем постепенного изме-нения тех или других черт видов с закреплением нужных за счет естественного отбора, то среди ископаемых остатков организмов должно бы быть огромное количество промежуточных форм. подобно к тому, как токарь, который работал бы лишь с помощью метода попыток и ошибок, кроме нужной детали, выточил бы целые горы бракованных. Тем не менее в палеонтологической летописи мы имеем чрезвычайно мало (а преимущественно вообще не имеем) промежуточных форм — в определенном пласте горных пород находим остатки одних видов, а в сопредельном с ним — других. Объяснить это лишь «законом неполноты палеонтологической летописи» (что твердит, что в ископаемом состоянии к нам дошла лишь незначительная часть организмов, которые населяло планету в минувшие эпохи) нельзя. Почему из этой летописи ищезли именно промежу-точные формы?
Известно, что в процессе онтогенеза зародыш повторяет предшествующие стадии развития своих далеких предков. Оплодотворенная клетка спустя некоторое время превращается в мешочек, похожий на примитивное чревополостное животное, потом — на существо, подобную к рыбьему мальку, головастика и т.д. На определенных этапах зародыши всех животных похожие один на одного, лишь в некоторых из них развитие прекращается, а остаток эволюционирует дальше. Наибольшее количество промежуточных стадий проходят зародыши млекопитающих, в частности и человека.
Об этом эволюционном ряде наши предки знали задолго к Ч. Дарвина. Вот как изображает ряд последовательных перевоплощений бога Вишну старинная индийская книга «Воплощение Вишну», написанная задолго к началу новой эры: рыба, черепаха, свинья, человек-лев, человек-карлик, человек с топором, Рама и Кришна. Этот последовательный ряд перевоплощений реально отображает эволюцию человека, если на смену рыбе приходит рептилия, потом млекопитающее, примат, гоминид (австралопитек, который имел невысокий рост). Далее появляется наш непосредственный предок-кроманьйонец («человек с топором»). Рама есть символом современного человека, а Кришна, следует думать, идеалом будущего — космическим человеком.
Укажем еще одну деталь, которая, возможно, поможет нам приблизиться к пониманию сути эволюционного процесса. Если мы сравним микроскопическое строение любой клетки организма человека и наипроще организованных одноклеточных (например, инфузории), то не найдем принципиальных отличий. Тем не менее любая из клеток высокоорганизованных существ, кроме своих обычных функций (дыхание, обмена веществ и т.п.), выполняет также определенные функции, связанные с жизнедеятельностью всего организма. В изолированном состоянии клетка высокоорганизованного организма жить не может — она существует лишь в условиях сотрудничества и кооперации с другими клетками. Собственно организмом есть не отдельная клетка, а вся их система, совокупность в целом, где на первый план выступают информационные связи, которые регулируют его слаженную деятельность.
Что же «подсказывает» оплодотворенной клетке, которая стадии ей належит пройти, на которой остановиться? Такая программа с самого начала записанная в ее хромосомной структуре, помещается в геноме (совокупности генов) и начинает реализоваться из момента оплодотворения яйцеклетки (слияние со сперматозоидом). Строение генома высокоорганизованных существ фантасти-чески сложная — в ДНК человека, например, насчитывается 3 млн. пар нуклеотидов. Сегодня генетики расшифровали лишь мизерную часть генома, то есть они имеют представление лишь о чрезвычайно маленькой частице этой программы. На протяжении последних лет американские биологи и кибернетики осуществляют сложные исследования по полной расшифровке с помощью ЭВМ генома человека. Идется пока что лишь об определении последовательности в ДНК всех нуклеотидов.
Поскольку управляющая система всегда более сложная за управляемую, стоит вопрос: насколько же более сложной может быть та система, которая создала и «запустила» программу развития живых организмов, где заведомо было определено, как именно «будет раскручиваться» спираль эволюции? Назовите эту управляющую систему, как вам большее по душе: Всемогущей Природой, Космическим Умом, в конце концов, Богом — суть от этого не изменит-ся. Главное же состоит в том, что вся эволюция земной биосферы была запрограммирована несравненно высшей и более сложной Космической Системой. И поскольку человек есть неотъемлемой составной биосферы, определенной стадией ее запрограммированного развития, то вся его деятельность не должна противоречить общей программе эволюции биосферы.
Таким образом, каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть исполинского сверхорганизма — биосферы. И, в свою очередь, есть порождением космического сверхорганизма — галактики. А все галактики являются будто клеточками сверх-сверхорганизма — Космоса. К. Циолковский так подытожил свои раздумья о нас и наше место в Космосе: «Все рождено Вселенной. Она — начало всех вещей, от него все зависит. Человек или другие высшие существа и его воля есть лишь проявлением воли Вселенной… Мы говорим: от нас все зависит, но мы сами создания Вселенной. Поэтому верней думать и говорить, что все зависит от Вселенной… Если нам и удастся выполнить свою волю, то лишь потому, что нам это разрешил Вселенная… Ни один атом Вселенной не избегает ощущения высшей разумной жизни».
Ну, а что же породило Вселенную? Возможно, это вопросы вообще нельзя ставить. К. Циолковский сказал, что о Причине Космоса можно лишь догады-ваться.
Подытоживая изложенное, укажем, что биосфера была запрограммирована несравненно более сложной системой — Космическим Умом (Абсолютом, Вселенной, Богом и т.п.). Как. осуществляется эта программа, ныне нам известно лишь в наиболее общих чертах. В частности, определено, что в целом процесс эволюции можно рассматривать как увеличение объема генетической информации. За некоторыми современными подсчетами, объем генетической информации у млекопитающего больший, чем в бактерии в 100 тыс. раз. И дело не только в наращивании длины генной цепочки и массы ДНК в ядрах клеток — у некоторых видов животных она, например, превышает массу ДНК человека. Дело еще и в том, как эта информация разворачивается. Возможно, приблизиться к пониманию этого механизма разрешит такое сравнение. Скрипки Страдивари ли Гварнери ценятся музыкантами потому, что содержат несравненно больше возможностей сравнительно с обычными. Однако в руках мастера божественно звучит и обычная скрипка. Известно, что когда Паганини враги подпилили струны на скрипке, и они начали одна за одной лопаться во время его концерта, гениальный скрипач продолжал играть на единственной, что осталась, и сыграл так, что на глазах у публики блестели слезы.
Сегодня некоторые ученые, обсуждая управляющую роль Космоса в эво-люции, употребляют термин «космическое информационное поле». В. Вернад-ский говорил о космических излучениях. В старинных индийских книгах упоминается о «вибрациях» Космоса, которые пронизывают всю земную жизнь, христиане верят в Святой Дух, который сходит из небес на Землю, некоторые другие религии вспоминают «астральный луч» и т.п. Все эти определения, в сущности, выражают одну мысль-руководство Космосом эволюции земной биосферы, которая есть ее неотъемлемой частицей.
Можно констатировать еще одну черту эволюции, а именно — ее нарастающий темп. Палеонтологические сведения свидетельствуют именно об этом. Так, если условно принять век Земли (4,5 млрд. лет) за одни сутки (24 ч), то в таких временных единицах жизни на Земле существует по крайней мере 20 ч, первые живые существа вышли из моря на сушу 6 ч 35 мин поэтому, млекопитающие существуют 3 ч 46 мин, а человек — последние 10 с. Довольно и говорить, насколько резко изменились состав и характеристики биосферы за эти последние 10 с «большого космического дня» Земли.
6.3. ПРИРОДНАЯ СРЕДА И ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ
Характеризуя природную среду Земли с экологической точки зрения, эколог на первое место всегда может ставить освещения типов и особенностей су-ществующих в нем взаимосвязей между всеми природными процессами и явлениями (данного объекта, района, ландшафта или региона), а также характера влияния на такие процессы человеческой деятельности. При этом очень важно использовать современные методы изучения взаимосвязей между населением, хозяйством и окружающей средой, уделять особое внимание причинам и следствиям возникновение так называемых цепных реакций в природе. Важно также придерживаться нового принципа — комплексной оценки экологических ситуаций на основе построения цепей причинно-следственных связей на разных стадиях прогноза с привлечением к решению проблемы представителей разных областей знаний, прежде всего — географов, геологов, биологов, экономистов, медиков, юристов.
Поэтому, изучая особенности основных составных природной среды, необходимо помнить, что все они тесно связаны между собою, зависят одно от одного и чувствительно реагируют на любые изменения, а окружающая среда — это сложная, многофункциональная, извечное сбалансированная единая система, которая постоянно самовосстанавливается благодаря своим особым законам обмена веществ и энергии. Эта система развивалась и функционировала мил-лионы лет, но человек на современном этапе своей деятельностью настолько разбалансировал природные связи всей глобальной экосистемы, что она начала активно деградировать, теряя способность самовосстанавливаться.
Таким образом, природная среда — это мегаэкзосфера постоянных взаимодействий и взаимопроникновения элементов и процессов четверых ее составных экзосфер (приповерхностных оболочек): атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы- под влиянием экзогенных (в частности космических) и эндогенных факторов и деятельности человека. Любая из экзосфер имеет свои со-ставные элементы, структуру и особенности. Три из них — атмосфера, литосфера и гидросфера — образованные безжизненными веществами и есть ареалом функционирования живого вещества — биоты — главного компонента четвертой составной окружающей среды — биосферы.
Природные ресурсы — это особый компонент природной среды, им следует уделять особое внимание, поскольку Их наличие, вид, количество и качество в значительной мере определяют отношения человека к природе, характер и объем антропогенных изменений окружающей среды.
Под природными ресурсами понимают все то, что человек использует для обеспечения своего существования — продукты питания, минеральное сырье, энергоносители, пространство для жизни, воздушное пространство, воду, объ-екты для удовлетворения эстетичных потребностей.
Еще несколько десятилетий назад отношение всех народов к природе определялось лишь одним девизом: подчинить, взять самое большее, ничего не отдавая, поскольку богатства Земли неисчерпаемые. Человечество брало, разрушало, сжигало, вырубало, убивало, истощало, поглощало, не считаясь с последствиями. Ныне настали другие времена, так как человечество, подсчитав, опомнились. Обнаруживается, что практически неисчерпаемых ресурсов в природе вообще нет. Условно пока еще можно относить к неисчерпаемым общие запасы воды на планете и кислорода в атмосфере. Но через их неравномерное распределение уже сегодня в отдельных районах и регионах Земли ощущается их острый недостаток. Все минеральные ресурсы принадлежат к невосстановимым и главнейшие из них ныне уже исчерпаны или находятся на границе уничтожения (уголь, железо, марганец, нефть, полиметаллы). Через быструю деградацию ряда экосистем биосферы в последнее время ресурсы живого вещества — биомассы — тоже перестали восстанавливаться, как и запасы пресной питьевой воды.
Поскольку биосфера планеты есть замкнутая система с относительно постоянной массой и обменивается с космическим пространством лишь энергией, человечеству следует учитывать его состояние и её способность самовосстанав-ливать свою биомассу, исчерпаемость современных энергоносителей, которые используются человечеством, уменьшить объемы использования ресурсов, сознательно отказавшись от излишков, перейти к тактике и стратегии рационального ресурсопользования.

7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ
7.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ КАК ОДИН ИЗ АБИОТИЧЕСКИХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Большинство абиотических физических факторов внешней среды, во взаимо-действии с которыми эволюционировала живая природа, имеют электромагнитную природу. Установлено, что на протяжении обозримого геологического периода в биосфере существуют электромагнитные поля (ЭМП) и излучения практически всего известного частотного диапазона — от медленных периодических изменений магнитного и электрического полей Земли до гамма-лучей. Можно предполагать, что любой участок природного электромагнитного спектра сыграл ту или иную роль в эволюции живых организмов, а это так или иначе отразилось на процессах их жизнедеятельности.
Любое возможное влияние ЭМП на биологические объекты, как и на по-добные им по электрофизическим свойствам неживые объекты, должно быть обусловлено теми или иными энергетическими взаимодействиями ЭМП с веществом, то есть преобразованием электромагнитной энергии в другие формы, при котором возникающий эффект зависит от величины действующей энергии ЭМП.
Наряду с энергетическими взаимодействиями в биологических процессах су-щественную роль играют информационные взаимодействия. Такие взаимодействия характеризуются преобразованием информации, ее передачей, копированием, хранением. Биологические эффекты, обусловленные этими взаимодействиями, зависят уже не от величины энергии, а от величины передаваемой системе информации. Сигнал, несущий информацию, вызывает только перераспределение энергии в самой системе, управляет происходящими в ней процессами; при этом его собственная энергия может быть незначительна и неадекватна вызываемым изменениям в системе.
Живая природа в процессе эволюции использовала для получения инфор-мации об изменениях во внешней среде именно ЭМП. Ведь это самый надежный переносчик информации среди других геофизических факторов: при помощи ЭМП информация может передаваться через любые расстояния в любые среды обитания живых организмов в любое время. Установлено, что периодические изменения естественных ЭМП внешней среды оказывают регулирующее влияние на функционирование живой природы — на ритмы основных физиологических процессов, на способность животных ориентироваться в пространстве, на процессы размножения в популяциях и т.д.
Установлено, что максимальной чувствительностью к ЭМП обладают целост-ные организмы, меньшей — изолированные органы и клетки и еще меньшей — рас-творы макромолекул. Существенные различия наблюдаются в реакции на ЭМП у одной и той же биологической системы в зависимости от того, в каких условиях проводится на нее воздействие — когда она находится в целостном организме или в изолированном состоянии.
Все это указывает на то, что системы, особенно чувствительные к ЭМП, сформировались в процессе эволюции в основном на макроскопическом уровне, по крайней мере начиная от упорядоченных макромолекулярных ансамблей. Возникновение повышенной чувствительности к ЭМП только у достаточно сложно организованно биологических систем можно рассматривать как одно из проявлений специфической особенности живой природы — ее «организации».
7.2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СРЕДАХ ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМОВ
7.2.1. Электрическое поле Земли
В атмосфере Земли существует электрическое поле Еа, направленное верти-кально к земной поверхности так, что эта поверхность заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы — положительно. Напряженность этого поля зависит от географической широты: она максимальна в средних широтах, а к экватору и полюсам убывает. Принято считать, что в среднем по Земному шару Еа = 130 В/м. С увеличением расстояния от поверхности Земли Еа убывает по экспоненте, составляя около 5 В/м на высоте примерно 9 км.
Величина Еа испытывает периодические годовые и суточные изменения. Годовые изменения имеют сходный характер по всему Земному шару с макси-мумом в декабре — феврале и минимумом в мае — июле. На суточное изменение большое влияние оказывает грозовая деятельность.
7.2.2. Магнитное поле Земли
Земля представляет собой естественный магнит и магнитное поле Земли имеет свои полюса, не совпадающие с географическими. Величина горизонтальной составляющей Н максимальна у магнитного экватора (0.3 — 0.4 э) и убывает к полюсам до сотых долей эрстеда; вертикальная составляющая Z уменьшается от 0.6 — 0.7 э у полюсов, почти до нуля у экватора. В областях магнитных аномалий значения Z могут быть выше, до 1 — 1.5 э.
Элементы земного магнетизма испытывают временные вариации — изменение магнитной активности. Это изменение измеряют в единицах = 10-5 э и оцени-вают либо по К-индексам (единица соответствует 50 ), либо u-мерой по форму-ле
,
где — среднее значение изменения Н в единицах , — геомагнитная широта, — угол между геомагнитным и географическим меридианом, D — угол склоне-ния.
Эти вариации получили название магнитных возмущений или магнитных бурь. При синфазных (одновременно по всей Земле) и локальных магнитных бурях наиболее сильно возрастает напряженность горизонтальной составляющей геомагнитного поля — до нескольких тысяч ; при синфазных бурях имеется лишь незначительное изменение амплитуды от места к месту, а при локальных — наблюдаются и фазовые изменения. Перманентные вариации — до сотен — наблюдаются непрерывно в течение дня, независимо от общей величины магнитной активности.
Все эти виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспыш-ками на Солнце. Поэтому вариации магнитной активности носят соответствующий периодический характер: имеются 11-летние циклы с максимумами в моменты максимумов солнечных пятен; имеется годовая периодичность с максимумами в дни равноденствия и минимумами в дни солнцестояния; имеется периодичность магнитных бурь в 27 дней, связанная с периодом вращения Солнца. С вращением Солнца связана и суточная периодичность магнитной активности. Имеется также группа короткопериодных магнитных возмущений с периодами от сотых долей секунд до минут и с амплитудами, не превышающими несколько единиц . Таким образом, общий частотный спектр периодических изменений геомагнитного поля занимает интер-вал от 10-5 до сотен герц.
Магнитное поле есть одной из необходимых условий существования жизнь на нашей планете. Все живые существа Земли миллионы лет эволюционировали именно в условиях магнитного поля и без него существовать не могут. Канадский ученый Я. Крейн исследовал живые организмы, которые находилось в специальной камере с меньшей, чем земная, напряженностью магнитного поля. После 72-часового пребывания в таких условиях резко (в 15 раз) уменьшалась способность бактерий к размножению, снижалась нейро-моторная активность птиц, у мышей поднимался обмен веществ. В случае более длительного пребывания в условиях ослабленного магнитного поля в тканях возникали необратимые изменения и развивалось бесплодие.
Геофизики (палеомагнитологи) установили, что на протяжении геологической истории нашей планеты магнитное поле неоднократно снижало свою напряженность и даже изменяло знак (то есть северный и южный магнитные полюса менялись местами). Таких эпох изменения знака магнитного поля, или инверсий, ныне установлено несколько десятков, они отразились в магнитных свойствах горных пород. У эпохи непосредственного изменения знака магнитного поля, это поле исчезало, чтобы потом снова появиться, нарастая к норме, но уже с противоположным знаком. Сколько времени продолжительная эпоха без магнитного поля, палеонтологи сказать сегодня не могут, но думают, что несколько тысяч лет. Например, нынешняя магнитная эпоха условно названа эпохой прямой полярности. Она длится уже близко 700 тыс. лет. Тем не менее напряженность поля медленно, но неуклонно снижается. Если этот процесс будет развиваться и в дальнейшем, то приблизительно через 2 тыс. лет напряженность магнитного поля Земли упадет к нулю, а потом, через определенное время «безмагнитной эпохи», начнет нарастать, но будет иметь противоположный знак.
Если опыты Крейна считать адекватными, то «безмагнитная эпоха» может восприниматься живыми организмами как катастрофа. Многие из них вымрут или изменят свои свойства. Тем не менее существует еще и другая опасность. Дело в том, что магнитное поле Земли есть щитом, защищает жизнь на Земле от потока солнечных и космических частиц (электронов, протонов, ядер некоторых элементов). Двигаясь с огромными скоростями, такие частицы являются сильным ионизирующим фактором, который, как известно, влияет на живую ткань, и, в частности, на генетический аппарат организмов.
С помощью первых спутников, запущенных на космические орбиты, были выявленные радиационные пояса вокруг нашей планеты. Установлено, что земное магнитное поле отклоняет траектории космических ионизирующих частиц и «закручивает» их вокруг планеты.
Итак, в эпохи, когда Земля не имеет магнитного поля, у нее исчезает защитный антирадиационный щит. Значительное (в несколько раз) увеличение радиационного фона может значительно влиять на биосферу: одни группы организмов должны вымирать, среди других может резко возрастать количество мутаций и т.п. А если принять во внимание солнечные вспышки, то есть колос-сальные за мощностью взрывы на Солнце, которые извергают чрезвычайно, сильные потоки космических лучей, то следует сделать вывод, что эпохи исче-зания магнитного поля Земли, есть эпохами катастрофического влияния на био-сферу со стороны Космоса.
7.2.3. Атмосферики
Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами, в частности молниями. Их частотный диапазон от сотен герц до десятков мегагерц, при этом интенсивность достигает максимума вблизи 10 кГц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряженность электрической составляющей ЭМП атмосфериков — порядка десятков, сотен и даже тысяч В/м на частотах, близких к 10 кГц.
Интенсивность грозовой деятельности изменяется с суточной периодичностью. Минимум грозовой деятельности отмечается в утренние часы, а общее ее повышение к — ночи. В холодное время максимум — среди ночи, а в лет-нее — в 15-18 часов.
Имеется и сезонная периодичность грозовой деятельности. В средних широтах наибольшее число гроз приходится на летнее время (июнь — июль), а наименьшее — на зимнее. Наконец, грозовая деятельность связана с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливают-ся.
7.2.4. Радиоизлучения Солнца и галактик
Установлено, что частотный диапазон радиоизлучения Солнца и галактик довольно широк — от 10 МГц до 10 ГГц. Поток радиоизлучений от Солнца на частоте 100 МГц составляет порядка 10-15 Вт/м2/МГц («всплеск» в период «возмущенного» Солнца может достигать 10-13 — 10-12 Вт/м2/МГц), а радиоизлучение от галактик — 10-16 Вт/м2/МГц.
Интенсивность этих радиоизлучений изменяется с суточной периодичностью, что связано с вращением Земли относительно источников излучений. Макси-мальная интенсивность наблюдается в утренние часы, минимальная — в ночные.
Радиоизлучения изменяются по интенсивности с периодичностью 27-28 дней, связанной с вращением Солнца, и с 11-летней периодичностью солнечной активности.
7.2.5. ЭМП промышленных источников
С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники появилось большое число разнообразных антропогенных источников ЭМП.
В диапазоне от низких до ультравысоких частот ЭМП в окрестности промышленных генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и на расстоянии в несколько длин волн напряженности ЭМП составляют уже незначительную долю от их начальных величин.
ЭМП промышленной частоты (50 Гц) возникают у линий электропередач, трансформаторов и т.п. В непосредственной близости от них напряженность ЭМП может быть весьма значительной. Например, вблизи высоковольтных открытых распределительных устройств на 400 и 500 кВ напряженность ЭМП может достигать нескольких тысяч В/м.
Высокочастотные ЭМП — от килогерц до сотен мегагерц — наиболее интенсивны вблизи промышленных генераторов для высокочастотной закалки металлов, сушки древесины и кирпичей, в рабочих помещениях радио- и телестанций, где напряженность Е достигает значений сотен и тысяч В/м. Сверхвысокочастотные ЭМП — от сотен мегагерц до десятков гигагерц — возникают вблизи радиолокационных станций, установок спутниковой связи и телевидения, СВЧ-печей и оцениваются уже по плотности потока мощности, ко-торый достигает нескольких мВт/см2.
7.2.6. «Радиофон»
За счет излучений многочисленных радио- и телестанций вокруг Земного шара создается своеобразный «радиофон».
Вблизи радио- и телестанций интенсивность «радиофона» может быть довольно значительной — порядка десятых долей В/м. В удаленных районах интенсивность «радиофона» значительно ниже и основной вклад в него вносят коротковолновые станции. Так как все станции излучают некогерентно, «радиофон» представляет собой результат суммирования излучений.
Общее представление об уровне интенсивности «радиофона» может дать сравнение его с уровнем атмосферных помех. Считают, что уровень радиосигналов в 10?100 раз выше уровня помех, так как это должно обеспечивать уверенный прием радиосигналов.
7.2.7. Компьютерное электромагнитное загрязнение
Работающий компьютер является источником электромагнитного поля в чрезвычайно широком диапазоне частот — от 0 (электростатическое поле) до ~1019 Гц (рентгеновское излучение), причем только видимое излучение (свет) является желаемым. Остальные разновидности ЭМП, генерируемые компьютером, можно отнести к паразитным.
Высокое постоянное напряжение (15-35 кВ), подводимое на анод кинескопа в видеомониторах, сконструированных на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), является источником электростатического поля, которое также может создаваться вследствие концентрации электрических зарядов на непроводящих (например, пластмассовых) частях корпусов компьютерного оборудования. Источниками переменного ЭМП гигиенически значимых уровней служат в основном блоки питания (в том числе импульсные), элементы системы кадровой и строчной разверток и синхронизации видеомонитора, агрегаты бесперебойного питания. Принято считать, что они генерируют ЭМП в полосе от 5 Гц до 400 кГц.
Электронные компоненты компьютера (материнская плата, видеоадаптер и т.п.) создают поле низкой интенсивности в диапазоне частот до 1-3 ГГц.
Дополнительный, а зачастую наибольший, вклад в формирование электромагнитной обстановки на рабочем месте вносят системы электроснабжения и электропотребители (электроприборы) находящиеся в помещении. Именно воздействие данных составляющих поля может приводить к возникновению такого эффекта как «дрожание» изображения монитора.

7.3. ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО И ТКАНИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Ткани живых организмов по электрическим свойствам можно разделить на три группы, в соответствии с содержанием в них воды: на суспензию клеток и белковых молекул жидкой консистенции (кровь, лимфа), аналогичную суспензию, находящуюся в уплотненном состоянии (мышцы, кожа, печень, и т.п.) и ткани с малым содержанием воды (жир, кости).
Клетки, коллоидные частицы, молекулы белка и другие микрочастицы, будучи взвешены в растворе электролита, приобретают дипольный момент. Электрические заряды в тканях представлены также дипольными молекулами воды и ионами электролитов.
7.3.1. Свойства тканей в постоянных полях
В постоянном электрическом поле ткани в той или иной степени поляризуются — заряженные частицы перемещаются вдоль силовых линий, дипольные молекулы ориентируются в этом же направлении. Если постоянное напряжение приложено непосредственно к ткани, то в ней возникает электрический ток, связанный с ионной проводимостью.
Каждая клетка окружена мембраной, обладающей поверхностной емкостью в пределах 0.1?0.3 мкФ/см2 и поверхностным сопротивлением до 10 кОм см2. Межклеточная и внутриклеточная среды имеют сопротивления порядка 100?300 Ом см2 и диэлектрическую проницаемость около 80.
При постоянном напряжении мембрана ведет себя как изолятор и ток может протекать только во внеклеточной среде. Возможно явление электрофореза — переноса электрически заряженных частиц (клеток, макромолекул).
7.3.2. Дисперсия свойств тканей в переменных полях
Имеются три частотных диапазона, в которых наблюдается изменение ‘ и ‘ (или = 1/ или ») тканей в зависимости от частоты: -дисперсия при низких частотах, -дисперсия при радиочастотах и -дисперсия при сверхвысоких час-тотах.
На низких частотах (в случае -дисперсии) клеточные мембраны успевают зарядиться за один период ионами вне и внутри клетки. Следовательно, полный заряд велик и емкость ткани значительна, что эквивалентно высокой диэлектрической проницаемости ткани. Низкочастотные токи идут только во внеклеточной среде, что обуславливает низкую удельную проводимость тканей. С ростом частоты уменьшается емкостное сопротивление мембраны клетки и возрастает участие внутриклеточной среды в общей проводимости ткани. По мере возрастания частоты ( -дисперсия) ‘ уменьшается до тех пор, пока период не становится столь малым, что мембраны не успевают заряжаться (для крови это происходит на 100 МГц).
Характер -дисперсии при частотах выше 1 ГГц удовлетворительно объясняется полярными свойствами молекулы воды. Кривые дисперсии достаточно хорошо согласуются с уравнениями Дебая

если в выражение для ввести член, учитывающий ионную проводимость:

где — время релаксации для молекулы воды (порядка 10-11с), а — ионная проводимость, не зависимая от частоты.
Параметры чисто жировых тканей практически не зависят от частоты в диапазоне выше 100 МГц, тогда как у тканей, состоящих из жировых клеток, окруженных электролитической средой, наблюдается дисперсия. Для костных тканей дисперсия удовлетворяет уравнениям Дебая при времени релаксации 0.7 10-11 с и с поправкой на ионную проводимость.
7.3.3. Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую
Преобразование энергии ЭМП в тепловую одна из возможных причин любых биологических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до СВЧ. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний.
В НЧ и ВЧ диапазонах преобразование энергии ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения в тканях джоулева тепла индуцированными в них ионными токами.