Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание крупных исследовательских групп и периодических международных конференций привлекают проблемы глобального изменения окружающей среды и сокращения биоразнообразия глобальной биоты. Большинство исследователей сходятся к мнению, что причиной этих глобальных процессов является хозяйственная деятельность человека. Возможное потепление климата связано с накоплением атмосферной двуокиси углерода в результате сжигания ископаемого углеродсодержащего топлива. Однако до сих пор остается невыясненной взаимосвязь между процессами глобального изменения окружающей среды и сокращением биоразнообразия биоты. Не выяснены также причины наблюдавшейся до сих пор устойчивости пригодной для жизни окружающей среды и климата. Теоретическому исследованию биотической регуляции окружающей среды, т.е. сохранения ее пригодного для жизни состояния за счет функционирования не нарушенных человеком сообществ видов биоты, посвящена эта диссертация.
Цель работы состоит в
-
доказательстве существования биотической регуляции окружающей среды в локальных и глобальных масштабах;
-
определении скоростей биотической релаксации окружающей среды к нормальному состоянию после внешних возмущений;
-
выяснении допустимых пороговых нагрузок на естественную биоту, выше которых происходит разрушение механизма биотического управления окружающей средой;
-
выяснении физических, биохимических и генетических характеристик биотического управления окружающей средой.
Научная новизна работы.
1. Найдено количественное значение универсальной разре
шающей способности реакции биоты на изменение величин кон
центраций веществ в окружающей среде. Любая' реакция биоты
возникает только в том случае, если относительное изменение кон
центраций превосходит определенную пороговую величину.
2. Найдена скорость поглощения избытков атмосферного угле
рода биотой океана по данным об изменешш концеїпраций СОг и
Ог в атмосфере и величинам стехиометрических отношений СО2/О2
при синтезе и разложении органического вещества на суше и в
океане. С использованием решений стационарного и нестационар
ного уравнешш диффузии показано, что полученный результат не
противоречит данным о глубинном профиле концентрации раство-
ренного органического углерода, а также данным о потоке прохождения двуокиси углерода через поверхность раздела океан-атмосфера.
-
На основе рассмотрения глобального бюджета атмосферного углерода и кислорода вычислены коэффициенты релаксации атмосферного углерода к равновесному состоянию за счет функционирования биоты суши и океана при различных уровнях нарушен-ности биоты. Определено поведение со временем этих коэффициентов релаксации на протяжении всей индустриальной эры. Оценена площадь территории, на которой необходимо восстановить ненарушенную биоту суши для остановки глобального роста атмосферной концентрации С02 при современной скорости сжигания ископаемого топлива.
-
С помощью уравнений энергетического баланса получена явная зависимость коэффициента пропускания теплового излучения газообразной атмосферы от числа оптически плотных слоев парниковых веществ, поглощающих тепловое излучение земной поверхности в различных спектральных интервалах. Найдена зависимость от температуры коэффициента пропускания теплового излучения атмосферой. В рамках полученной формализации объяснен наблюдаемый линейный высотный градиент температуры.
-
Определены положение и характер устойчивости стационарных значений среднеглобальной приземной температуры. Построена потенциальная функция (функция Ляпунова) в зависимости от величины среднеглобальной температуры в широкой области температур от полного оледенения до полного испарения гидросферы Земли. Показано, что физически устойчивыми состояниями климата Земли являются состояния полного оледенения и полного испарения гидросферы, оба из которых являются непригодными для существования жизни. Промежуточное стационарное состояние, в котором гидросфера находится, в основном, в жидкой фазе, физически неустойчиво. Для получешш наблюдаемой устойчивости жидкой фазы земной гидросферы необходимо введение нефизических сингулярностей в поведение альбедо и парникового эффекта в зависимости от температуры. Такие сингулярности могут генерироваться только естественной ненарушенной биотой Земли.
-
Исследована природа генетической изменчивости видов естественных сообществ и устойчивости их генетической информации, необходимой для поддержания биотической регуляции окружающей среды.
Все перечисленные результаты являются новыми.
Теоретпческая п практическая ценность.
-
Работа представляет собой одну из первых попыток применения методов теоретической физики для научного анализа широкого круга актуальных взаимосвязанных проблем по сохранению приемлемой для жизни человека глобальной окружающей среды.
-
Результаты работы позволяют количественно оценить величину компенсирующих откликов невозмущенной биоты на производимые человеком возмущения окружающей среды, а также изменение этих откликов в зависимости от степени нарушенное естественной биоты, что имеет большое значение при прогнозировании устойчивости глобальной окружающей среды.
-
Результаты работы дают оценку площади территории суши, на которой должна быть восстановлена ненарушенная биота для остановки роста концентрации СОг в атмосфере при современной скорости сжигания ископаемого топлива.
-
Результаты работы показывают, что для сохранения пригодной для жизни глобальной окружающей среды необходимо поддерживать существование ненарушенных сообществ естественной биоты на территориях материковых и океанических масштабов. При разрушении биотического потенциала управления окружающей средой состояние окружающейц среды будет ухудшаться даже при переходе на полностью безотходные производства.
5. Результаты работы количественно обосновывают новый
взгляд на актуальную проблему сохранения биоразнообразия есте
ственной биоты, каждый вид которой представляет собой незаме
нимый элемент механизма биотической регуляции окружающей
среды. Уничтожение биологических видов представляет собой не
только утрату уникальных живых организмов, но означает необ
ратимое разрушение механизма биотической регуляции окружаю
щей среды.
Апробация результатов. Основные положения диссертации были вынесены на обсуждение на V-м Конгрессе Европейского Сообщества по эволюционной биологии (Эдинбург, Шотландия, сентябрь 1995 г.), научном "семинаре кафедры генетики СПбГУ (25 марта 1996 г.), 1-й Международной конференции "Проблемы ноосферы и устойчивого развития" (Санкт-Петербург, 1996); Международном конгрессе по систематике и эволюционной биологии (Будапешт, Венгрия, август 1396); научном семинаре кафедры устойчивого развития Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева (Москва, январь 1997 г.); VI-м Конгрессе Европейского Сообщества по эволюционной биологии (Арнем, Нидерланды, август 1997 г.); ХХХП-й и XXXIV-й Зимних Школах Петербургского института ядерной физики РАН (Санкт-
Петербург, февраль 1998 и 2000 гг.); рабочих совещаниях по выработке научных основ Декларации Земли (Москва, март 1998 г, и Нью-Йорк, ноябрь 1998 г.); Международном семинаре "Роль девственной наземной биоты в современных условиях глобальных изменений окружающей среды. Биотическая регуляция окружающей среды" (Петрозаводск, октябрь 1998 г.); Международной конференции "Индексы и индикаторы устойчивого развития: системно-аналитический подход" (Санкт-Петербург, июль 1999 г.); Съезде Экологического Общества Австралии (Фремантл, Австралію, сентябрь 1999); научном семинаре кафедры физики атмосферы Санкт-Петербургского государственного университета (февраль 2000 г.); научных семинарах Отделения теоретической физики и Отделения молекулярной и радиационной биологии Петербургского института ядерной физики РАН (Гатчина, 1996-2000 гг.). По результатам диссертации опубликовано 22 работы.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав. Список литературы включает 304 наименования, из них 225 на английском языке. Работа изложена на 290 страницах, включает 24 рисунка и 4 таблицы.
