Прежде чем изучать, а тем более моделировать глобальные экологические проблемы, правильнее сказать кризисы, их надо разделить на две принципиально различные группы – природные явления и экологические кризисы, которые мы обеспечиваем себе сами.
Первая группа – это геотоксикология, то есть естественный фактор глобальной эволюции биосферы на нашей планете.
Вторая – антропогенное, то есть связанная с деятельностью человека, загрязнение биосферы. Важно, что с середины ХХ века деятельность человека по уничтожению пригодной для нашей жизни природной среды по масштабу и влиянию стала приближаться к силам природы.
Для биосферы сверхэксплуатация человеком или иными существами не является угрозой. Палеонтология фиксирует многочисленные природные биосферные кризисы, в результате которых живое вещество предшествующих эпох вымирало и происходила радикальная смена флоры и фауны. В геологии эти процессы принято называть Великими вымираниями.
Для нас, для человечества такого рода биосферный кризис по последствиям сходен с Великим Потопом, но без Ноя с его спасительным Ковчегом. Человеческое сообщество жизненно заинтересовано в выработке правильной системы биосферного управления, с учётом глобального масштаба нашего влияния на окружающую среду.
Но будем последовательны. Начнём с геотоксикологии.
Геологическая наука детально понимает и знает, что такое планетарная экологическая или биосферная катастрофа. Она фиксируется «в камне», то есть в косном веществе и фиксируется неоднократно.
На сегодняшний день считается, что возраст Земли, составляет 4,5 млрд лет [1]. Первичная атмосфера Земли была восстановительной, анаэробной, то есть лишённая значимых количеств кислорода.
![Остров Исуа на юге Гренландии [2].](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/271828/pub_69f1ac33b0394c617573c6b6_69f1acb8ab0a014a3d8f5268/scale_1200)
Первые признаки живого вещества на Земле принято связывать с формацией Исуа (Isua) в Гренландии, где были обнаружены прослои органического происхождения. Возраст первых отложений органического вещества - около 3,7 млрд. лет [3].
Этими организмами были фотоавтотрофы, т.е. древнейшие организмы из формации Исуа, которые использовали в качестве источника энергии солнечный свет, в качестве питательного материала неорганические вещества, преимущественно углекислый газ и воду.
В виде отходов они выделяли смертельный для них кислород - побочный продукт деятельности фотосинтезирующих организмов.
Поступавший в атмосферу свободный кислород практически полностью связывался в окислительных реакциях. Атмосфера на протяжении, как минимум, полутора миллиардов лет оставалась анаэробной, лишённой кислорода, за исключением небольших «кислородных оазисов» - предвестников будущей геотоксикологической катастрофы.
Возник и свыше полутора миллиардов лет существовал удивительный мир прокариотных организмов, грибов, бактерий и цианобактерий. Мир сумрака, постоянно разрываемый огненным шлейфом падающих на Землю астероидов. Мир, где вода и воздух ещё только разделялись. Мир, где не было высоких гор и глубоких впадин, мир где всё быстро равнялось молодой и буйной энергией земли, а кислоты разъедали свежеизлившийся базальт. Мир, где было уютно его обитателям, плавающим в солевом и кислотном океане. Строматолиты, онколиты и другие живые организмы потребляли в качестве питательных веществ цианосоединения, при этом выделяли в качестве отходов токсичные кислородсодержащие вещества.
В итоге они произвели такое количество кислорода, которое уничтожило всю привычную палеобиоте биосферу. Это событие принято называть «кислородной катастрофой» или «кислородной революцией» - глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя, 2,4 млрд. лет тому назад.
Океаны потеряли большую часть растворённого в воде железа, а на планете Земля образовалась привычная нам насыщенная кислородом атмосфера. Коренным образом изменился геохимический состав биосферы Земли. Как итог - катастрофа древних экосистем. Это и есть первая геотоксикологическая катастрофа известная нам в истории Земли. Из былого многообразия форм – выжили только единичные островки строматолитов. И как следствие долгое-долгое возникновение практически новой биосферной среды и новых существ.
Массовые вымирания большинства видов происходят время от времени. Эти процессы хотя и имеет катастрофические последствия для сложившейся биосферы, но растянуты на значительное время, как правило миллионы лет. Основным палеонтологическим признаком вымирания является резкое снижение биологического разнообразия таксонов суши и моря, а также существование значительного количества незаполненных долгое время биологических ниш.
Из известной нам истории развития Земли следует, что геотоксикология является фактором глобальной эволюции. Перечислим ключевые точки глобальной эволюции, глобальных экологических кризисов:
- первые отложения органического вещества (появление жизни на планете) - около 3,7 млрд. лет;
- Гуронское оледенение. Первая и наиболее продолжительная в истории Земли раннепротерозойская ледниковая эра. Похолодание началось постепенно, 2,4 миллиарда лет назад. Первые примитивные водоросли освоили фотосинтез и выделяли кислород. Кислород взаимодействовал с метаном, насыщавшем атмосферу с образованием углекислоты и водяного пара. В результате парниковый эффект, обеспеченный метаном, существенно уменьшился, а Земля в раннем протерозое получала от Солнца на 15-20% меньше энергии, чем сегодня. В итоге мировой океан покрывавший половину планеты полностью замёрз. Вымерзли и каменисто-песчаные пустыни суши. И продолжалась эта беда более 300 миллионов лет. Жизнь с трудом уцелела в экваториальной зоне и у океанических разломов земной коры, подпитываемая внутренним теплом Земли. После оледенения появились разнообразные крупные многоклеточные, которые повсеместно и очень быстро распространились, за практически тёплый миллиард лет и практически уже искали выход на сушу, но Криогений, самый холодный период в истории Земли продлившийся 250 миллионов лет похоронил эти надежды. Тяжёлые льды вдавили в земную кору остатки суши. Вся планета превратилась в ледяной океан. Живой мир практически был утрачен, но в подлёдных озёрах и в горячих термах сохранялись одноклеточные водоросли. Как только лёд расходился трещинами начинался процесс фотосинтеза. Живое боролось с мёртвым. Вулканическая деятельность, как и прежде насыщала атмосферу углекислотой и другими вулканическими газами. Земля оттаяла к концу протерозойского эона — 635 миллионов лет назад. Жизнь победила смерть;
- Ордовикско-силурийское вымирание, начало палеозоя. Вероятно, крупные тектонические потрясения, связанные с движением суперконтинента Гондвана – (сдвинулась близко к южному полюсу) привело к глобальному похолоданию, и как следствие, падению уровня мирового океана. В результате вымерло более 60% видов морских беспозвоночных, т.е. основных таксонов, населяющих Землю. – около 0,57 млрд. лет;
- Девонское вымирание, средний палеозой. Высокая вулканическая активность Земли привела к изменению уровня мирового океана и его кислородному обеднению. В результате вымерло 50% всех существовавших родов и почти 20% всех семейств. Два этапа - 374 и 359 миллиона лет назад.
- Великое Пермское вымирание, начало мезозоя. Граница пермского и триасового периодов. Вымирает 96% морских и более 70% наземных видов животных. Ни до, ни после на нашей планете не фиксируется столь масштабное опустошения биосферы. Этот период принято называть Великим вымиранием – около 252 миллионов лет назад;
- Триасовое вымирание, граница триаса и юрского периодов. Самое скоротечное из известных нам массовых вымираний. За 10 тыс. лет вымерло около 50% палеонтологически известных видов. Известно, что это время - начала распада сверхконтинента Пангея на отдельные континенты. Около 200 миллионов лет назад;
- Мел-палеогеновое вымирание, начало кайнозоя. Граница мелового и палеогенового периода. Около 65 миллионов лет назад фиксируется самое обсуждаемое в масс-медиа великое вымирание. Вымирают динозавры, морские рептилии, в том числе мозазавры и плезиозавры, летающие ящеры, многие моллюски, в том числе аммониты и белемниты, и множество мелких водорослей. Вымерло 16% семейств морских животных (47% родов морских животных) и 18% семейств сухопутных позвоночных – около 65 млн. лет;
- Эоцен-олигоценовое вымирание, конец палеогена – начало неогена. Довольно «мягкое вымирание». Мы знаем о нём, благодаря хорошей сохранности палеонтологического материала. Оно незначительно превосходит фоновые значения смены видов. Процент вымирания видов в несколько раз превысил «фоновый» уровень – более 3% против 0,7%, что на порядок слабее мел-палеогенового вымирания. Эоцен-олигоценовое вымирание принято связывать, как с падением двух крупных астероидов 35 млн лет назад (~5 и ~4 км в диаметре соответственно), так и со значимой глобальной вулканической активностью 35-29 миллионов лет назад на всех Американских материках, а также в Африке и на Ближнем Востоке. Известно, что значительные площади в Северной Америке покрыты километровыми слоями отложений туфа и пепла эоцен-олигоценового возраста. Около 35-30 миллионов лет назад;
- Голоценовое вымирание. 11 000 лет назад, биосфера Земли начала переживать очередное «Великое вымирание» в своей истории. Здесь мы можем «гордится». Масштаб эоценового вымирания преодолён благодаря виду homo sapiens. Видовое разнообразие фауны нашей планеты к концу XXI века, по оценкам ряда ведущих университетов снизиться на 50%, в т.ч. для земной флоры более чем на 80%. 11 000 лет назад – настоящее время.
В начале 1980-х гг. С.Г. Неручев обратил внимание на то, что повторявшиеся в фанерозое с цикличностью ~30 млн лет биосферные кризисы и эпохи активизации геодинамических процессов сопровождались заражением вод Мирового океана ураном и другими редкими химическими элементами [31]
В результате Сергей Германович сформулировал тезис, о том, что массовые вымирания биоты и последующие обновления ее видового разнообразия вызваны действием на живые организмы радиоактивных и других мутагенных элементов. Эти элементы циклически поступают из недр на поверхность в результате эндогенной активности Земли [32].
Это классические вопросы геотоксикологии. Перечислим все геотоксикологические события, связанные с массовыми вымираниями, включая вывод С.Г. Неручева о периодическом заражении бассейнов седиментации и биосферы:
- крупные ударные события внеземных тел;
- крупные вулканические пароксизмы;
- суперплюм, т.е. сверхпоток аномально нагретого глубинного вещества, струи которого в виде «мантийных плюмажей (плюмов)» поднимаются от ядра Земли;
- периодическое заражение бассейнов седиментации и биосферы в целом эндогенным ураном и тяжелыми металлами токсикантами;
- дегазации ядра Земли.
При каждом периоде массового вымирания существенно менялась геохимия биосферы, т.е. геотоксикологические признаки исчезновения видов на планете Земля – очевидны.
Тектоническая и магматическая активность Земли и в настоящее время весьма высока. Наглядно это иллюстрирует рисунок 9, где на поверхность модели Земного шара вынесены все наблюдаемые землетрясения в период с июля 2017 года по июль 2018 года [33].
Это краткий, но исчерпывающий обзор природных явлений, обеспечивающих возможность изучения и моделирования глобальных экологических проблем.
Более того, теперь мы знаем и понимаем, как биосфера очищалась от враждебной жизни токсичных элементов. Живые существа впитывали в себя яды, связывали их в своих организмах в прочные, безопасные для дальнейшего распространения соединения и отмирая уносили их в земные недра, очищая ценой своей жизни биосферу для следующих видов и поколений живых существ. Именно так, ценой жизни, планетарной биоты выводились из биосферы токсичные компоненты, послужившие причиной геотоксикологических катастроф [34, 35].
Антропогенное загрязнение биосферы.
За геологически ничтожный срок существования технической цивилизации, человечество переместило и изменило такое количество планетарного вещества, что поставило под угрозу наше существование, как биологического вида. Пример из докембрийского времени со строматолитами и прокариотными сообществами для человечества является неожиданно актуальным.
Рост агломераций, урбанизация территорий - фактор и естественная среда, формирующая философию потребления. Урбанистическая конструкция, органично вписанная во вмещающий природный ландшафт, сохранялась в неизменном виде 4-5 тысячелетий, до начала промышленной революции. С началом промышленной революции люди массово переселяются в города, формируя новые и новые урбанизированные ландшафты. С середины ХХ века урбанизация охватила весь мир.
В 2011 году германским фондом «Население мира» был выполнен прогноз: к 2030 году число горожан вырастет до 4 млрд. человек. Сегодня видим, что эта прогнозная цифра достигнута в 2017 году. Количество горожан - 3,88 млрд., что больше половины жителей Земли. Число жителей Земли 1 января 2017 года 7,47 млрд. человек.
К 2003 году урбанизированные территории занимали 4 млн. км2, т.е. 3% площади планеты. С учётом современных требований к градостроительству возможно строительство городов на площади в 28,1 млн. км2, что в семь раз превышает сегодняшние потребности. Однако, эта оценка выполнена, исходя из принципов экономической географии, учитывающей строительство всей инфраструктуры, совпадения баланса производства и потребления, оптимизации концентрации и роста производства продукции и услуг. Это идеальная схема развития городской среды. Идеальных городов на планете Земля – нет. Есть очень сильно – не идеальные города и таких большинство.
За рамками моделей урбанистического развития остаются реальные объёмы сброса загрязняющих веществ, образующихся в крайне концентрированных количествах на городских территориях и потребляемых минеральных ресурсов.
Как и прогнозировал В.И. Вернадский, человек стал глобальным техногенным фактором, «крупнейшей геологической силой». Современные наблюдения подтверждают этот вывод - искусственные, техногенные геологические образования занимают 55% поверхности суши Земли и в отдельных случаях проникают и на глубину до 12,2 километров, Кольская сверхглубокая скважина.
В качестве примера - богатейший в мире карьер по добыче алмазов – Джваненг, Ботсвана добывает 15,6 миллионов карат алмазов за год или 3,12 тонны. В среднем на одну тонну извлечённой породы приходится полтора карата драгоценных камней. Для добычи 3,12 тонн алмазов добывают с глубины 250-300 метров и просеивают 10,4 миллионов тонн горной породы.
Урбанизация - фактор и естественная среда, формирующая философию потребления. С точки зрения науки, глобальная урбанизация - слабоизученный процесс, где тесно связаны биологические принципы существования людей, экономические, социальные факторы и многое другое.
Численность населения Земли на 26.09.2020 составляет 7,83 млрд человек. Численность городского жителей по объективным статистическим данным на 01.01.2020 г. составила 4,3 млрд человек.
Распределение жителей по территории Земли – неравномерно. Иллюстрация этой неравномерности – распределение по плотности населения территории Российской Федерации. Исходя из доклада ООН и ряда других прогнозов, численность городских жителей будет устойчиво расти, как минимум, вплоть до 2040 г. Таким образом больше и больше людей будут потреблять природные ресурсы исходя из нормативов потребления для горожан.
Заключение.
Либо мы вырабатываем механизмы самоспасения, либо, сформулированный Стругацкими принцип: «Будущее создается тобой, но не для тебя» и являющийся в эволюции биосферы фундаментальным проверим на себе уже в XXI веке.
Одним из сценариев дальнейшего развития биосферы Земли в зависимости от дальнейших изменений в геохимическом составе биосферы может быть сценарий ползучего отравления биосферы за счёт массового и одномоментного, в рамках геологического времени, освобождения токсических компонентов.
Фактически мы стоим перед очередным коренным изменением геохимического состава биосферы Земли. Как итог - катастрофа комфортной нам экосистемы.
В настоящее время активное освоение человечеством депонированных в минеральных ресурсах, в том числе и органическом веществе токсикантов, приводит к проявлению негативной биологической активности продуктов рассеяния токсоэлементов в окружающей среде. Меняется геохимический облик целых регионов планеты.
Исходя из наших сегодняшних знаний, мы можем уверенно и достоверно моделировать глобальные экологические проблемы, связанные с техногенной деятельностью человечества, определять регионы и ландшафты, находящиеся в зоне риска и только социальные факторы, не позволяют нам обеспечить устойчивое и безопасное существование нашей популяции – человечества.
При этом встаёт дилемма – какой сценарий развития будет нами сознательно выбран. Необходимо определить приемлемый для человечества баланс между «нишей выживания» и «нишей развития».
Где «консервация» — это потеря пластичности вида и все риски, связанные с этим, а «неограниченное развитие» - перспектива надрыва, в т.ч. срабатывание невозобновляемой для человека ресурсной базы.
Список литературы
1. Rudge, J., Kleine, T. & Bourdon, B. Broad bounds on Earth’s accretion and core formation constrained by geochemical models. Nature Geosci 3, 439–443 (2010) doi:10.1038/ngeo872.
В ссылке: URL http://www.nature.com/ngeo/journal/v3/n6/full/ngeo872.html
2. Nutman, A., Bennett, V., Friend, C. et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures. Nature537, 535–538 (2016). В ссылке: https://www.nature.com/articles/nature19355?platform=hootsuite
3. Ohtomo, Y., Kakegawa, T., Ishida, A. et al. Evidence for biogenic graphite in early Archaean Isua metasedimentary rocks. Nature Geosci 7, 25–28 (2014) doi:10.1038/ngeo2025. В ссылке: URL http://www.nature.com/ngeo/journal/v7/n1/full/ngeo2025.html
4. Нелихов А.Е. Древние чудовища России. Палеонтологические истории для детей и взрослых. Издательство: Манн, Иванов и Фербер, 2017 г. Одиннадцатая иллюстрация к книге Древние чудовища России. Художник Андрей Анатольевич Атучин
5. Грищенко Л. Архейская эра: растительный и животный мир. В ссылке: URL https://www.syl.ru/misc/i/ai/193730/828259.jpg
6. Diederik Jekel. Er zijn miljarden aardachtige planeten gemist? В ссылке: URL https://www.npostart.nl/wat-is-de-kans-op-buitenaards-leven/22-09-2016/WO_NTR_5207578
7. David Rothery, Professor of Planetary Geosciences, The Open University. Snowball Earth: new study shows Antarctic climate even gripped the tropics. В ссылке: URL https://theconversation.com/snowball-earth-new-study-shows-antarctic-climate-even-gripped-the-tropics-40097
8. Шеханов Михаил. «Море ордовика Ленобласти». В ссылке: URL https://ammonit.ru/foto/59014.htm
9. An artist's rendering of fish-type creatures swimming on the seafloor. © Киевский национальный университет. В ссылке: URL https://digg.com/2015/the-sixth-mass-extinction
10. David Moscato. «The nasty eating habits of prehistory's meanest fish». В ссылке: URL: https://www.earthtouchnews.com/all-articles/2016/november/01/the-nasty-eating-habits-of-prehistorys-meanest-fish/
11. «Prehistoric mystery organism verified as giant fungus‘Humongous fungus’ towered over all life on land». В ссылке: URL: https://www-news.uchicago.edu/releases/07/images/070423.fungus-prototaxites.jpg и https://www-news.uchicago.edu/releases/07/070423.fungus.shtml
12. Журавлёв А.Ю. «Сотворение Земли», Издательство «Альпина нон-фикшн», 2018. Серия: Библиотека фонда «Траектория», Страниц: 514, ISBN: 978-5-91671-902-4. Иллюстрация Юрия Приймака.
13. Шеханов Михаил. «Мутные воды». В ссылке: URL https://ammonit.ru/foto/53690.htm
14. Девонское море. https://www.forbes.com/sites/priyashukla/2019/07/17/could-carbon-emissions-trigger-a-mass-extinction-in-the-ocean/#3e10f01262ba
15. Пермский пейзаж. Компьютерное изображение доисторических насекомых в вулканическом лесу пермского периода (около 300–250 миллионов лет назад). [https://media.sciencephoto.com/image/c0115599/800wm/C0115599-Permian_landscape,_artwork.jpg]
16. Океан в перми. http://www.mightyfossils.com
17. В конце пермского периода исчезло 70% наземных видов. Травоядный Lystrosaurusкаким-то образом пережил испытания и доминировал в ландшафте, составляя до 90% известной фауны позвоночных после исчезновения
https://252mya.com/products/the-great-permian-extinction-on-land-royalty-free
18. Борьба и жизнь на суше. Триас [https://images.fineartamerica.com/images-medium-large-5/triassic-mural-2-julius-csotonyi.jpg]
19. Мелководье триаса [https://media.sciencephoto.com/image/c0229441/800wm/C0229441-Triassic_land_and_marine_life,_artwork.jpg]
20. Обед в триасе [https://animalsake.com/triassic-period-animals]
21. Ужин на берегу. Ихтиозавр, около 15 метров. Остатки найдены на юге Африки Ghost Ranch, NM. Работа Elperdido1965. [https://www.facebook.com/AllThingsDinosaurs/posts/2906280059467243]
22. Пангея. Гигантский суперматерик пермского периода. Иллюстрация Андрея Атучина
https://elementy.ru/images/bookclub/summa_paleontologii_01_1079.jpg
23. Триасовое вымирание Richard Bizley/Science Photo Library
[https://www.newscientist.com/article/2150939-the-mass-extinction-that-might-never-have-happened/]
24. Морские четвероногие меловые животные. (Предоставлено Смитсоновским национальным музеем естественной истории) [https://cdn.vanderbilt.edu/vu-news/files/20190417224959/CretaceousMarineTetrapods.jpg]
25. Меловые динозавры. Компьютерная иллюстрация, показывающая различных динозавров, живших в меловой период (около 145–66 миллионов лет назад). [https://media.sciencephoto.com/image/c0390820/800wm/C0390820-Cretaceous_dinosaurs,_illustration.jpg]
26. Иллюстрация динозавра Velociraptor, преследующего Zalambdalestes sp. добыча. Велоцираптор был хищным пернатым динозавром, который достигал полуметра в бедре и весил около 15 килограммов. Заламбдалестес был плацентарным млекопитающим, похожим на землеройку. Оба жили на территории современной Монголии в позднем меловом периоде (от 100 до 66 миллионов лет назад). [https://www.sciencephoto.com/media/1112391/view]
27. Отрывок из фрески Рудольфа Ф. Заллинджера «Эпоха млекопитающих», на которой изображены реконструкции млекопитающих олигоцена. Слева направо это креодонт Hyaenodon; саблезубый нимравид Гоплофонус; конь Мезогипп; Субхиракодон , безрогий носорог; Протапирус, ранний тапир; примитивный верблюд Poebrotherium; и антракотерид парнокопытный ботриодон . © Йельский университет [https://research.amnh.org/paleontology/perissodactyl/f/Oligocene_2.jpg]
28. Олигоценовый монстр в представлении конца XIXвека. [https://www.thoughtco.com/the-eocene-epoch-1091365]
29. Базилозавр. Basilosaurus cetoides был доисторическим китом, который жил в водах Персидского залива, покрывая территорию, которая впоследствии стала Алабамой, около 35 миллионов лет назад. Это окаменелость штата Алабама. Перепечатано с разрешения Колина Свифта. [http://www.encyclopediaofalabama.org/article/m-3929]
30. Киты и пингвины эоцена у побережья Перу (~ 56-34 миллиона лет назад)
[https://ocean.si.edu/through-time/ancient-seas/eocene-whales-and-penguins-coast-peru]
31. Неручев С.Г. Уран и жизнь в истории Земли. - Л.: Недра. 1982. - 208 с.
32. Неручев С.Г. Преобразование планеты Земля живым веществом биосферы, Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2013, т.8, №1
33. Землетрясения в период с июля 2017 года по июль 2018 года. Визуализация. В ссылке: URL http://glowy-earthquakes.glitch.me/
34. Якуцени С.П. Распространенность углеводородного сырья, обогащенного тяжелыми элементами-примесями. Оценка экологических рисков. Недра, СПб, 2005, 372с
35. СП и ИА
36. Плотности населения территории Российской Федерации. [http://joyreactor.cc/post/3209507].