Последствия деятельности человека в биосфере.

Хозяйственная деятельность человека неоднократно приводила к ухудшению природных условий, порождала локальные экологические кризисы. Человек, овладев огнем, применял его для уничтожения растительности, как в земледельческих, так и в охотничьих целях. При этом хищнически уничтожались флора и фауна на значительных территориях, что приводило к образованию пустынь. В совокупности рассмотренные процессы приводили к исчезновению древних цивилизаций, например, в Индии (3..2 тысячелетия до н.э.), Майя в Центральной Америке и др.

История свидетельствует, что научно-технический прогресс (НТП) увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создавая предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов. С другой стороны, этот же прогресс расширяет возможности предупреждения таких кризисов.

Наиболее отчетливо эти противоположные тенденции проявились во второй половине XX века. Так, например, растительный покров большей части поверхности континентов носит вторичный характер, т.е. заменён нужными человеку растениями. Это обстоятельство привело к нарушению процесса почвообразования, изменению физико-химических свойств почв и их эрозии. В возрастающих масштабах человеком загрязняются атмосфера и воды континентов и океанов.

Понимая экологический кризис как непоправимое за короткий срок ухудшение природной среды, нельзя говорить о глобальном кризисе в настоящее время. Сейчас существует множество локальных кризисов, которые не всегда разрешимы и, накапливаясь, могут принять глобальные масштабы.

Экологический ущерб биосфере не всегда может быть возмещён, например, уничтожение генофонда современных организмов.

Демографические процессы, сопровождающиеся ростом народонаселения, способствуют ускорению проявления как локальных, так и глобальных экологических кризисов, т. к. соответственно увеличиваются масштабы промышленного и сельскохозяйственного производств, исчерпание минеральных ресурсов и количество отходов.

Особо следует отметить влияние человека на климат городов, регионов и планеты в целом за счет загрязнения атмосферы. Атмосфера Земли как компонент биосферы является трансформатором локальных воздействий человека на окружающую среду в глобальные изменения природных условий. Так, современные города, благодаря растущей урбанизации, можно рассматривать как „острова тепла“ и источники выделения газов, паров и аэрозолей. Это обстоятельство вызывает образование туманов, приводящих к смогам, сопровождающимися увеличением концентрации в атмосфере опасных для биосферы веществ.

Постоянный рост количества сжигаемого в энергетических целях топлива органического происхождения способствует повышению температуры у поверхности Земли, что обусловливает изменение климата как в региональном, так и в планетарном масштабах. При этом нарушается естественный ход эволюции биогеоценозов и биосферы в целом.

Климатические изменения, обусловленные хозяйственной деятельностью человека проявляются уже сейчас (повышение средней температуры у поверхности Земли на ~ 0,5 оC, перестройка установившейся ранее атмосферной циркуляции воздушных масс и др.), а в недалёком будущем (XXI век и далее) эти изменения усилятся.

Особое негативное влияние деятельность человека оказывает на «биологический щит» планеты – озоновый компонент атмосферы. Развитие промышленности, сратосферной авиации, космонавтики и др. факторы способствуют снижению концентрации озона в стратосфере и, как следствие, интенсификации жёсткого ультрафиолетового облучения земной поверхности, что губительно для живых организмов, обитающих в наземно-воздушной среде.

Кроме вышеуказанных воздействий на биосферу, человек способствует её радиоактивному загрязнению. Происходит это за счёт извлечения из недр Земли и последующего концентрирования на её поверхности долгоживущих радиоактивных изотопов. Чаще всего это 238U (период полураспада ~ 4,47∙109 лет) и 235U (период полураспада ~ 0,7∙109 лет). При ядерных превращениях (распаде) этих изотопов образуются другие химические элементы и их изотопы, например, 226Ra, 222Rn и др., которые, в свою очередь, чаще всего являются радиоактивными. При распаде радиоактивных веществ генерируются корпускулярные ( α, β ) и электромагнитные ( γ, рентгеновское) ионизирующие излучения, действие которых на организмы биосферы негативно. Так, у человека возможно образование злокачественных опухолей (рак), нарушение функций зрения (катаракта), разрушение эритроцитов (белокровие), инактивация гонад, мутации потомства и др. негативные изменения. Подобного рода процессы происходят и в других организмах, составляющих биосферу.

На компоненты биосферы воздействует также рентгеновское ионизирующее излучение (с такими же негативными эффектами как и выше), которое генерируется при изменении вектора-скорости движущегося потока заряженных частиц, например, в телевизорах, мониторах ЭВМ, в некоторых медицинских и научных приборах и аппаратах.

Таким образом, не ограничивая масштабы своей деятельности, не применяя специфических экозащитных (природоохранных) мер, человек будет способствовать постепенной деградации биосферы.

 бионика на производстве примеры

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины — кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

Умная природа             

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» — оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Бионика (англоязычные названия – «биомиметика») – многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно используется термин «биомиметика», но иногда говорят о биогенезе. Суть этого перспективного научно-технологического направления состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

Современные открытия          

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного оптоволокна

Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного оптоволокна

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно (см. подробнее здесь). По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)    

В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения.