Слід зауважити, що цим рівнянням описується не весь процес фотосинтезу. Насправді він складається з розгалужених циклів світлових фотохімічних і темнових ферментативних реакцій, що відбуваються в організмі рослин. Процес фотосинтезу полягає в тому, що за допомогою енергії світла вода розкладається з виділенням кисню, а водень витрачається на відновлення вуглекислого газу. Отже, фотосинтез — це найважливіший біохімічний процес живлення рослин, під час якого вони засвоюють сонячну енергію і за її допомогою з неорганічних речовин синтезують органічні сполуки. Грандіозність фотосинтетичного процесу вражає. Одне дерево з проекцією крони 150 м2, тобто діаметром крони близько 14 м, має близько 800 тис. листків, площа внутрішньої фотосинтезуючої поверхні яких перевищує 150 тис. м2. Таке дерево переробляє за одну годину 2,5 кг вуглекислого газу (стільки його міститься у 5 тис. м3 повітря) і близько 1 кг води, використовуючи при цьому 6075 кал сонячної енергії для синтезу 1600 г вуглеводів (глюкози). Листкова поверхня площею 25 м2 протягом сонячного дня виділяє таку кількість кисню, яка потрібна одній людині на добу. З розрахунків відомо, щоб виростити врожай пшениці 40 ц/га рослини мають утворити 10 т загальної біомаси і при цьому засвоїти з ґрунту — близько 150 кг азоту і близько 500 кг інших мінеральних речовин, з повітря — 20–25 т вуглекислого газу. Як відомо, тварини і людина не здатні синтезувати органічні речовини з мінеральних. Вони використовують для своїх енергетичних потреб (рухів, дихання) органічну речовину, що була синтезована іншими живими організмами, розкладаючи її до вуглекислого газу, води і мінеральних сполук. У процесі живлення тварини синтезують білки, жири, вуглеводи свого тіла, але цей синтез відбувається не за рахунок неорганічних речовин, а за рахунок органічних речовин рослинного і тваринного походження. Саме тому тварини є “руйнівниками” органічних речовин. Крім рослинних і тваринних організмів у природі, зокрема у ґрунті, воді, повітрі, та й у рослинах і тваринах, живуть мікроорганізми, які в процесі життєдіяльності розкладають рослинні й тваринні рештки до найпростіших сполук — СО2, Н2О, NН3 та ін. Мікроорганізмів в 1 г ґрунту або озерного мулу мільярди. У процесі еволюції мікроорганізми пристосувалися до життя в найрізноманітніших умовах. Одні з них потребують для своєї життєдіяльності кисню, інші живуть у безкисневому середовищі. Існують організми, здатні жити у 10 % розчині сірчаної кислоти і в лужному середовищі. Мікроорганізми витримують низьку температуру, підвищену солоність води і ґрунту, підвищений атмосферний тиск та інші несприятливі для складніше організованих рослин і тварин умови. Тому вони здатні розкладати білки, жири, вуглеводи в будь-яких середовищах, відіграючи тим самим значну роль у природі. Мінеральні речовини, які утворюються під час розкладу живими організмами органічних решток, недовго затримуються в ґрунті, воді тощо. Інші мікроорганізми та вищі рослини і тварини перетворюють їх на органічні сполуки. Саме так у природі відбувається біологічний кругообіг речовини і енергії, коли живі організми, використовуючи сонячну енергію, перетворюють її в енергію геохімічних процесів, зумовлюючи цим особливості руху хімічних речовин у певних природних умовах і визначаючи характер взаємозв’язку літосфери, гідросфери та атмосфери. У біологічному кругообігу бере участь величезна кількість хімічних елементів, серед яких вуглець, кисень, азот, фосфор, сірка (рис. 2–6).
день
ніч
Рис. 2. Кругообіг вуглецю (за Ф. Рамад, 1981)
34
Ультрафіолетові промені з високою енергією
35
Рис. 3. Кругообіг кисню (за Ф. Рамад, 1981)
36
Рис. 4. Кругообіг азоту (за Ф. Рамад, 1981)
37
Рис. 5. Кругообіг сірки (за Ф. Рамад, 1981)
Рис. 6. Кругообіг фосфору (за Ф. Рамад, 1981)
Біологічний кругообіг речовин і енергії відбувається в більшості існуючих ландшафтів, але його інтенсивність для кожного ландшафту різна. В одних може нагромаджуватися велика кількість живих організмів, а кругообіг відбуватиметься повільно, в інших, навпаки, швидко. Біологічний кругообіг речовин і енергії впливає на формування ґрунтів і на всі геохімічні процеси, які відбуваються в них, а також у воді, повітрі та глибинних (до 2–3 км) шарах земної кори.
2.3. Поняття про еволюцію біосфери
Як зазначалося, вік Землі як планети становить 4–5 млрд років, проте сліди життя відомі лише з геологічних відкладів віком близько 3 млрд років. У геохронологічному літописі Землі налічують п’ять ер і груп періодів: • архейська ера — 3–2 млрд років тому; • протерозойська ера — близько 1,5 млрд років тому; • палеозойська ера — близько 365 млн років тому; • мезозойська ера — близько 115 млн років тому; • кайнозойська ера — від 70 млн років тому і дотепер. Усередині кожної ери виокремлюють певні періоди різної тривалості, а їх визначення ґрунтується на наявності в геологічних відкладах тих чи тих викопних решток живих організмів. За даними геохронології, рештки багатоклітинних живих організмів на Землі достовірно відомі з шарів віком близько 700–550 млн років тому. Однак цей вік не може претендувати на остаточність, тому що викопні рештки з таких відкладів зберігаються дуже погано і трапляються надто рідко. Не є винятком знахідки викопних організмів, які жили в найдавніші часи. Водночас відомі людству викопні свідчення про склад живих організмів у прадавні часи дають змогу уявити основні компоненти біосфери в кожній ері. Так, для протерозойської ери найхарактернішими були водорості і тварини, що перебували у водяному середовищі, — губки, радіолярії, членистоногі. Характерною для палеозойської ери була поява живих організмів на суходолі. Спочатку, у кембрійському періоді, це були рослини, а пізніше, в ордовицькому періоді, і наземні тварини. У мезозойську еру на суходолі панували голонасінні рослини (предки наших голчастих — ялини, модрини, сосни, смереки та інших рослин) і поступово завойовували його перші покритонасінні рослини. Мезозойську еру ще називають ерою гігантських рептилій. Саме на цей час припадає розквіт відомої групи наземних тварин, різноманіття видів яких сприяло завоюванню не лише суходолу, а й повітря і водного середовища. Найзначнішою подією в кайнозойську еру була поява первісної людини. Тоді ж досягли максимального розвитку покритонасінні рослини, а серед тварин — птахи і ссавці. Саме наприкінці кайнозойської ери (в антропогеновому періоді) — близько 2 млн років тому — з’явилася пралюдина в тому вигляді, який характерний для всього роду Homo. Слід зауважити, що наведена схема розвитку біосфери є найзагальнішою, а над її деталізацією працюють тисячі науковців в усьому світі. З’явившись ще в архейську еру, живі організми безперервно змінювалися: одні з них зникали, поступаючись місцем іншим групам рослин і тварин, інші видозмінювалися відповідно до змін навколишнього середовища. Усі ці зміни в біосфері відбувалися на тлі безперервних змін умов довкілля, яке, на думку багатьох учених, і було першопричиною всіх відомих перетворень у рослинному і тваринному світі планети Земля. Було б неправильно стверджувати, що живі організми не впливали на навколишнє середовище, а лише існували в ньому. Живі організми справляли і справляють такий істотний вплив на умови свого існування, що сучасні науковці вирізняють навіть окремий розділ екологічної науки — значення живих організмів в утворенні навколишнього середовища. Такий взаємовплив має назву еволюція — незворотний процес історичних змін усього живого на Землі. З численних спонтанних мутацій шляхом природного відбору формувались і формуються нині такі комбінації ознак і властивостей, які сприяють адаптації організмів до умов навколишнього середовища, що постійно змінюється за рахунок як абіотичних, так і біотичних чинників. Насамперед еволюційні процеси виявляються на рівні популяцій рослин, тварин, мікроорганізмів, грибів тощо у вигляді адаптивних змін їх генотипного складу, що сприяє найбільш адекватному пристосуванню живих організмів до існування. Крім мутаційного процесу елементарними чинниками еволюції є коливання чисельності особин у популяції та ізоляція популяції (географічна, генетична, етологічна, фізіологічна тощо), а також, можливо, так званий мейотичний драйв — порушення випадковості у співвідношенні частот при розщепленні гетерозигот.
Еволюційні перетворення в популяціях спричинюються до відособлення нових видів живих організмів або до набування певним видом властивостей, що дають йому можливість функціонувати в нових абіотичних або біотичних умовах. Існування біосфери, включаючи й еволюційні перетворення, було б неможливе без взаємопов’язаних фізичних, хімічних та біологічних процесів перетворення і переміщення речовини й енергії у природі. Тривалий час у науці панувала думка про замкнуті цикли кругообігу речовини й енергії в біосфері, які й забезпечують рівновагу в навколишньому середовищі. Лише на початку ХХ ст. видатний учений В. Вернадський довів розімкнутість кругообігів окремих хімічних елементів і енергії в біосфері. Саме ці положення стали основою його вчення про біогеохімічні цикли і біосферу. Згідно з цим ученням, обмін речовини й енергії між різними компонентами біосфери зумовлюється життєдіяльністю організмів і має циклічний характер. Рушійними силами біогеохімічних циклів є потоки енергії Сонця і діяльність живої речовини, які спричинюються до переміщення величезних мас хімічних елементів, концентрування і перерозподілу акумульованої у процесі фотосинтезу енергії. Завдяки цим процесам виникає стійка організованість біосфери Землі, здійснюється її нормальне функціонування. Нормальні (не порушені) біогеохімічні цикли, на думку В. Вернадського, не є замкнутими, хоча оборотність річних циклів найважливіших біогенних елементів у них сягає 95–98 %. Унаслідок цього та невелика частка речовини, яка виходить з біогеохімічного циклу, за всю історію розвитку біосфери і зумовила біогенне нагромадження кисню і азоту в атмосфері, різних елементів і сполук у земній корі. Так, за 600 млн років за рахунок неповної оборотності вуглецю у викопних осадках накопичилися величезні запаси речовин, які містять вуглець (вапняки, бітуми, вугілля, нафта та ін.), вони становлять 1017 т.
2.4. Природна радіоактивність
Як фізичне явище радіоактивність властива Землі з моменту її виникнення. Відкрив її в 1895 р. французький учений А. Беккерель. Сутність зазначеного явища полягає в тому, що атоми деяких елементів нестабільні (через надлишок або дефіцит нейтронів у ядрі). Перехід такого нестабільного ядра у стабільний стан супроводжується випромінюванням електронів (так званих бета-частинок) або ядер атомів гелію (альфа-частинок), що називається бета- та альфа-радіоактивністю. Крім того, ядерні перетворювання здебільшого супроводжуються випромінюванням квантів електромагнітної енергії (гамаквантів). Існують і деякі інші процеси, які так само призводять до радіоактивного випромінювання. Радіоактивне випромінювання здатне іонізувати атоми і молекули опромінюваного середовища. При опроміненні живого організму іонізовані атоми і молекули, взаємодіючи зі структурами біологічної тканини, утворюють складні, здебільшого токсичні сполуки, подальша дія яких призводить до ушкодження організму. Рівень радіоактивності на нашій планеті нерівномірний і значною мірою залежить від наявності в межах певної території гірських порід з підвищеним рівнем радіоактивних елементів, дещо меншою мірою — від інтенсивності космічного випромінювання, а також від техногенних джерел і об’єктів, що є джерелами радіоактивності. Саме останній компонент є причиною неспокою, але докладніше розглянемо його пізніше. Тепер зупинимося на суто природному чиннику і з’ясуємо його небезпеку для життя людини. Відомо, що радіоактивність — невіддільний компонент існування людини. Саме з радіоактивністю окремі вчені пов’язують появу на Землі біологічного життя як форми існування білкових тіл. Для оцінювання рівня радіоактивності в тому чи тому місці запроваджено таке поняття, як радіоактивний фон, що зумовлюється загальною сумою випромінювання Землі та космічного випромінювання. Не слід забувати, що джерелом випромінювання є й кожна людина, здебільшого за рахунок природного радіоактивного елемента калію-40, який надходить в її організм з продуктами харчування природного походження та акумулюється в ньому. Загалом рівень природного радіоактивного фону малий і становить 4–12 мкР/год залежно від місцевості. Водночас на Землі є місця з аномально високим природним фоном; при цьому місцеве населення не “відчуває” його “надлишку” і не відрізняється від інших станом свого здоров’я. Так, поблизу міста Посус-де-Калдас (Бразилія), розташованого на відстані 200 км на північ від Сан-Паулу, є невелика височина, де природний рівень радіації у 800 разів перевищує середнє значення, а річна доза сягає 250 мЗв. Дещо менші рівні радіоактивності зафіксовані на морському курорті Гуарапарі, що розміщується на відстані 600 км від цієї височини. Це невелике місто з чисельністю населення у 12 тис. чол., яке кожного року стає місцем відпочинку близько 30 тис. курортників. На окремих ділянках його пляжів рівні радіації в річній дозі становлять 175 мЗв. Така сама ситуація спостерігається в рибальському селищі Меаіпе, розташованому на відстані 50 км на південь від Гуарапарі. Обидва населених пункти стоять на пісках, багатих на торій. В іншій частині світу, у південно-західній частині Індії, 70 тис. чол. живуть на вузькій прибережній смузі довжиною 55 км, де піски так само багаті на торій. Дослідження показали, що населення цього регіону отримує річні дози в діапазоні 3,8–17 мЗв, тоді як середньорічна доза від зовнішнього опромінення на планеті становить близько 0,35 мЗв. Потужність дози опромінення збільшується з висотою над рівнем моря (на основі збільшення частки космічних променів). Так, на висоті 2000 м над рівнем моря річна доза в кілька разів перевищує дозу на рівні моря. Цілком логічно, що літаючи літаками, особливо на далекі відстані, пасажири отримують додаткові дози опромінення. Підраховано, що в середньому за рік людство Землі за рахунок повітряного транспорту отримує колективну дозу на рівні 2000 людино-Зв (при перельоті з Нью-Йорка до Парижу на звичайному турбореактивному літаку пасажир отримає дозу приблизно 0,05 мЗв). Розглядаючи природну радіоактивність, потрібно враховувати такий важливий її компонент, як радіоактивний газ радон. За оцінками Наукового комітету з питань дії атомної радіації при ООН, радон разом з дочірніми продуктами радіоактивного розпаду відповідає за 3/4 річної індивідуальної ефективної еквівалентної дози опромінення, яку отримує населення від усіх земних джерел радіації, і приблизно за половину дози від усіх природних джерел радіації. Більшу частину цієї дози людина отримує за рахунок надходження радіонуклідів з повітрям, особливо в малопровітрюваних приміщеннях. У зонах із помірним кліматом концентрації радону в закритих приміщеннях у середньому у 8 разів вищі, ніж на відкритому повітрі. Загалом високі концентрації радону реєструють щодалі частіше. Наприкінці 70-х років ХХ ст. будівлі, всередині яких концентрація радону в середньому у 5000 разів перевищувала його концентрацію на відкритому повітрі, були виявлені у Швеції та Фінляндії. З часом такі самі будівлі було виявлено у Великій Британії та США. Подальші обстеження показали, що дедалі частіше зустрічаються будинки з надто високими концентраціями радону. Найпоширеніші будівельні матеріали — дерево і цегла — виділяють невелику кількість радону. Набагато більшою питомою активністю характеризуються граніт і пемза, які широко використовують у будівництві в країнах колишнього Радянського Союзу та в Німеччині. Загалом рекордні активності властиві глинозему, кальцій-силікатним шлакам та фосфогіпсам. Свого часу ці матеріали широко застосовували у будівництві більшості розвинених країн світу, і це схвально сприймалося громадськістю, оскільки утилізувалися відходи виробництва. Проте пізніше було виявлено, що використання згаданих матеріалів небезпечне для людини. Отже, використання будьяких матеріалів у будівництві потребує попередніх досліджень на безпечність. Концентрація радону у приміщені залежить не лише від будівельного матеріалу, а й від місця, де розташований будинок, та відстані підлоги до землі. Що вище розміщена підлога, то концентрація радону нижча. Додатковими джерелами радону в житловому будинку є природний газ, який спалюється на газових плитах, і вода. Причому вода як потенційне джерело радону найнебезпечніша не від вживання, а при використанні для душу у ванній кімнаті. Так, при обстеженні будинків у Фінляндії виявилося, що в середньому концентрація радону у ванній кімнаті приблизно втричі вища, ніж на кухні, і приблизно в 40 разів вища, ніж у житлових приміщеннях. Дослідження, що їх виконали канадські вчені, свідчать, що за 7 хв, протягом яких був включений душ з теплою водою, концентрація радону і продуктів його розпаду у ванній кімнаті швидко підвищилася. Лише за півтори години після вимкнення душу концентрація радону знизилася до початкового рівня. В Україні також чимало регіонів з високими концентраціями радону. Це насамперед місця видобутку уранової руди, виходу з-під землі багатих на радон підземних вод, використання в будівництві матеріалів з високим вмістом радіоактивних елементів. До таких місць належать Кіровоградська область, м. Біла Церква та ін. Щодо певного побоювання радіації з боку населення слід якомога більше приділяти уваги цьому явищу. Найбільшою засторогою в цьому контексті є так званий канцерогенний ефект радіації. Нагадаємо, що джерелом радіації є Сонце, у спектрі випромінювання якого присутні як електромагнітна складова, так і елементарні частинки — усе те, чого особливо боїться людина, коли йдеться про атомну енергетику. Проте загальновідомо, що надмірне захоплення сонячними ваннами так само небезпечне, як і значні дози радіоактивності. Отже, має бути певна міра, межа. Крім того, потрібно пам’ятати, що існує перевірений часом біологічний закон, згідно з яким реакція будь-якого живого організму на дію фізичного, хімічного або біологічного чинника залежить від дози і тривалості впливу. Нині нагромаджено багато даних, які свідчать про те, що сонячна радіація здатна викликати, наприклад, рак шкіри. І це тим імовірніше, чим триваліше й інтенсивніше “грітися на сонці” (йдеться про надмірність). Так, за даними ВООЗ, захворюваність на рак шкіри у Скандинавських країнах у 2–3 рази нижча, ніж у країнах Південної Європи. В Австралії рак шкіри становить 60 % загальної кількості онкологічних захворювань. Навіть в одних і тих самих країнах при переміщенні на південь можна спостерігати підвищення рівня цього захворювання. Ще один приклад. В окремих зонах Узбекистану і Туркменістану, де сонячна радіація приблизно однакова, рак шкіри виникає частіше в узбеків, які носять тюбетейки, ніж у туркменів, обличчя яких прикрите широкими хутряними шапками. У Південній Америці рак шкіри частіше спостерігається у жінок, ніж у чоловіків, які носять крислаті сомбреро. Таким чином, захищаючи тіло (шкіру) від надмірного сонячного випромінювання, можна істотно зменшити ймовірність виникнення раку шкіри. Істотне значення має такий захисний чинник, як колір шкіри. Негрів Африканського континенту і США рак шкіри вражає в 10 разів рідше, ніж населення з білою шкірою, яке проживає в тих самих районах. Захворюваність європейців на Гавайських островах у 45 разів вища, ніж у місцевого населення. Загалом встановлено, що чутливість темношкірого населення до сонячного випромінювання приблизно у 10 разів нижча, ніж у людей європейського походження. Вважається, що основну захисну роль відіграє пігмент шкіри меланін. Цей висновок поширюється і на окремих осіб: темніший колір шкіри робить її менш чутливою до сонячного випромінювання.
2.5. Гігієна довкілля
Словосполучення “гігієна довкілля” має широкий і глибокий зміст. Головне полягає в тому, щоб розкрити взаємозв’язок техногенно зміненого стану навколишнього природного середовища (довкілля, тобто того, що навколо нас) і стану здоров’я та життя людської популяції, що заповнює і загалом формує це середовище. У загальних рисах вже розглянуто критичність сучасної біосфери, її кризовий стан, зумовлений діяльністю людини (розвитком цивілізації). Тепер проаналізуємо чинники, що негативно впливають на стан біосфери, а відтак і на здоров’я людини; тобто, якою мірою це загрожує життєдіяльності людства. Щоб уявити собі масштаби впливу на довкілля об’єктів промисловості, комунальної сфери, сільськогосподарського виробництва, не обов’язково відвідувати ці об’єкти. Щоб зрозуміти важливість цієї проблеми в загальнопланетарному масштабі, досить поспостерігати за найближчим оточенням: будинком, вулицею, містом. Розглянемо шляхи й обсяги забруднення навколишнього природного середовища. Нагадаємо, що життя людини минає у створеному нею продукті історичного, і особливо соціального, розвитку людства — техногенному середовищі. Це якісно нова форма організованості, яка виникає при взаємодії біосфери і суспільства як новий еволюційний стан біосфери, що цілеспрямовано перетворюється в інтересах людства. Так сформулював В. Вернадський стан навколишнього середовища, який називається ноосферою. Ноосфера — найвищий тип керованої цілісності, для якої характерний тісний зв’язок законів природи із законами мислення і соціально-економічними законами суспільства. Ноосфера — поняття глобальне, властиве Землі як планеті. Під впливом господарської діяльності людства в ноосфері відбуваються незворотні процеси, пов’язані з гіперконцентрацією виробництва, істотними змінами характеру землекористування, глобалізацією соціальної структури людства. Саме з глобалізацією тісно пов’язаний процес урбанізації. Урбанізація — зростання і розвиток міст, набування сільською місцевістю зовнішніх і соціальних ознак,
