Лекция: Антропогенное загрязнение атмосферы и ее охрана
Основные понятия медицины – понятия «здоровье» и «болезнь». Это уже некоторые состояния живого, в связи с чем философия медицины во многом представляет из себя дальнейшее развитие общих философских проблем биологии. Как же можно попытаться понять, что отличает здоровое состояние живого организма от больного? С нашей точки зрения, важнейшей категорией, лежащей в основании философии медицины и позволяющей заложить основу для разрешения ее проблем, является категория «меры жизни». Живое обладает не только качеством жизни, отличающем его от неорганических объектов и процессов. Живое обладает и своими количественными определениями. Можно предположить, что есть не просто жизнь, но определены еще и разные степени и меры жизни – может быть жизнь более сильная и более слабая. Эта идея более количественного определения жизни и лежит в основании понятий здоровья и болезни. В самом общем смысле здоровьем называют сильную жизнь, а болезнью – жизнь ослабленную. Вот принципиальное философское оснований медицинской науки. Но этот общий принцип меры жизни требует конечно же своего дальнейшего развития и уточнения.
Во-первых, следует подчеркнуть, что понятия здоровья и болезни зависят от типа организации живого существа. То, что является здоровьем для мухи, вряд ли можно назвать таковым для человека. Следовательно, определяя эти понятия, необходимо каждый раз уточнять некоторый вид жизни, обладающий относительно самостоятельным качеством, своеобразием и собственными принципами организации.
Только если некоторый вид жизни зафиксирован, по отношению к нему имеет смысл более определенно говорить о той или иной мере жизни (этого вида). Меры жизни разных видов могут оказаться несравнимыми между собой.
Далее возникает проблема более строгого выражения меры жизни определенного вида жизни. Речь идет о том, чтобы выяснить те факторы, от которых может зависеть мера жизни и сформулировать конкретные вклады этих факторов в итоговую меру жизни. Приведем здесь некоторые примеры.
Одним из важнейших параметров меры жизни является степень адаптивной пластичности живого организма. Организм может оказываться в различных – более или менее благоприятных – для его существования условиях (например, в ситуациях с разными величинами температур, количества пищи, плотности популяции и т.д.). В одних ситуациях организм способен приспособиться и выжить, в других ситуациях он погибает. В этом случае можно ввести такое понятие, как объем выживания организма – множество всех тех возможных ситуаций, в которых организм может остаться живым, приспособившись к условиям этих ситуаций. Объем выживания – одна из важных характеристик меры жизни того или иного вида жизни. Чем более – при прочих равных условиях — объем выживания организма, тем большей мерой жизни он обладает. В математической экологии близким к понятию объема выживания является понятие экологической ниши. В этом случае вводится так называемая функция благополучия, которая представляет из себя некоторую интегральную оценку жизнедеятельности организма. Эта функция определяет не только экологическую нишу, но и конкретные количественные показатели благополучия организма в каждой конкретной ситуации, т.е. в каждой точке экологического пространства. Нечто подобное можно представить и для более общего случая, когда мера жизни организма могла бы определяться на основе некоторой функции благополучия этого организма в некотором пространстве возможных ситуаций существования организма.
Функция благополучия – один из примеров так называемых критериев оптимальности, которые все чаще в последнее время применяются при решении разного рода задач в биомедицинских науках. Например, можно пытаться выяснить, почему рыбы обладают определенной формой тела. Помочь в решении этой задачи могут соображения, связанные с оценкой формы с точки зрения, например, сопротивления встречному потоку жидкости при движении в воде. Такую задачу можно представить достаточно строго, в рамках определенной математической модели. Можно рассмотреть различные возможные пространственные формы и задать на них некоторую функцию, значение которой будет выражать, допустим, величину сопротивления этой формы при ее движении в жидкой среде. Затем можно попытаться найти такие формы, которые дают минимальные значения указанной функции. Часто оказывается, что математически найденные формы с минимальным сопротивлением являются достаточно близкими реальным формам водных организмов. Подобные задачи называют задачами на экстремум. При решении таких задач оказалось, что многие биологические структуры максимизируют или минимизируют определенные функции, количественно выражающие биологически значимые параметры (заметим, что задача на максимум всегда может быть переформулирована как задача на минимум, если в качестве новой функции взять в той же задаче используемую функцию с обратным знаком). Такие функции и были названы критериями оптимальности, или целевыми функциями. Впервые идею всеобщей роли критериев оптимальности в биологии сформулировал американский биолог Н.Рашевский в так называемом принципе оптимальной конструкции (principle of optimal design): «организмы, обладающие биологической структурой, оптимальной в отношении естественного отбора, оптимальны также и в том смысле, что они минимизируют некоторую оценочную функцию» (цит. по: Р.Розен. Принцип оптимальности в биологии. М.: Мир, 1969. – С.18-19).
В общем случае биологическая структура может оцениваться с точки зрения различных критериев оптимальности К1, К2, …, Kn. Каждый из этих критериев может быть сформулирован таким образом, что он будет выражать какой-то определенный аспект благополучия в жизнедеятельности организма. В этом случае можно пытаться ввести интегральный критерий оптимальности (благополучия) К = К(К1, К2, …,Kn), определенный как некоторая функция на частных критериях оптимальности. По-видимому, такого рода интегральные критерии могут в большей степени претендовать на выражение меры жизни. Мера жизни выступает в этом случае некоторым предельным понятием наиболее интегрального критерия оптимальности, обобщающего в себе множество всех более частных критериев благополучия живого организма.
С развитием методологии разного рода критериев оптимальности в современных биомедицинских науках развивается все более крепнущая тенденция квантификации феномена жизни, т.е. выражения в количественной форме различных проявлений живого.
Пусть теперь дан некоторый критерий оптимальности (благополучия) К для некоторого вида жизни. Организм данного вида может находиться в состояниях с большей или меньшей величиной К. Состояния с достаточно высокими показателями К можно называть К-нормой. Когда величина К существенно снижается, возникает некоторое новое качественное состояние организма, которое можно обозначить как К-патологию. Например, можно ввести некоторый температурный критерий оптимальности КТ, который будет давать максимум для человека при значении температуры 36.6оС, и будет падать при отклонении от этой температуры. В этом случае состояния организма при достаточно больших значениях КТ, т.е. вблизи температуры 36.6оС, можно называть температурной нормой (КТ-нормой). Состояния, выходящие за пределы этого интервала, — температурной патологией (КТ-патологией).
Под К-здоровьем теперь можно понимать такую К-норму, где критерий К выступает в качестве некоторого интегрального критерия оптимальности. Соответственно, К-болезнью можно называть К-патологию с интегральным критерием К, т.е. те состояния организма, для которых значение интегрального критерия К принимает достаточно низкие значения.
Таким образом, понятия нормы и патологии (здоровья и болезни) необходимо уточнять относительно выбранного критерия оптимальности. Подобным же образом могут быть уточнены и остальные медицинские понятия, например: «К-патогенез» — процесс, снижающий величину критерия К, «К-саногенез» — процесс, повышающий величину К. Подобное уточнение позволяет разрешить ряд парадоксов, связанных с коллизией различных критериев оптимальности, когда, например, по одному из критериев человек здоров, а по другому – болен, по одному критерию человек выздоравливает, по другому — заболевает. Кроме того, понятия «здоровья» и «болезни» в этом случае приобретают количественные степени.
Следует также отметить, что структура организации нормы и патологии обычно имеет «звездчатую структуру» с нормальным состоянием биологической структуры в центре и множеством патологических ее модификаций на периферии, способных возникнуть из центрального состояния нормы. По-видимому, такого рода организация связана с тем, что норма представляет из себя некоторое равновесие множества факторов, каждый из которых может быть гипертрофирован за счет других (дополнительных) факторов, образуя тот или иной вид патологии как неравновесной нормы. С этой точки зрения патоокружение всякой нормы не случайно. Изучая многообразие патологии, можно придти к выводу о составе нормы, приводя в равновесие гипертрофированные патологические факторы.
Пусть y — интегральный психический критерий оптимальности, величина которого выражает «психическое здоровье» («y-здоровье») человека, j — интегральный физический (физиологический) критерий оптимальности, величина которого выражает «физическое здоровье» («j-здоровье») человека. Пусть также З – некоторый интегральный критерий оптимальности, на основе которого выражается общее здоровье («Здоровье» с большой буквы) человека. Критерии j и y — это частные случаи критерия З, т.е. З = З(j,y, К1,…, Кm,…) – интегральный критерий здоровья З есть функция от физического, психического и, возможно, еще каких-то критериев, К1,…, Кm,…, здоровья человека. В связи с этими критериями можно выделять и несколько видов медицины:
— «физическая (соматическая) медицина» («j-медицина») ограничивает здоровье человека только j-здоровьем
— «психическая медицина» («y-медицина») ограничивает здоровье человека только y-здоровьем
— «психосоматическая медицина» («yj-медицина») ограничивает здоровье только психосоматическим здоровьем, т.е. той частью критерия З, которая определяется только критериями j и y
j-медицина представляет из себя классические разделы западной материалистической медицины. y-медицина – это психиатрия. В последнее время все более активно развивается психосоматическая медицина, в которой формируется философия более интегрального – психосоматического – образа здоровья и болезни. В этом процессе выражается общая тенденция развития западной медицины – тенденция восхождения от более частных к более интегральным критериям здоровья, в пределе стремящихся к интегральному критерию Здоровья (З), который, однако, никогда не может быть до конца выражен средствами научного познания. Следует заметить, что, тем не менее, критерий З может даваться ученому-медику посредством интуиции, в то время как более частные критерии здоровья рано или поздно могут быть выражены и средствами рационального познания.
Возможны, как уже упоминалось выше, разного рода коллизии частного и интегрального критериев здоровья, опровергающие полную возможность сведения второго к первому. Например:
— при низкой величине j (или y) может достигаться достаточно высокая величина З за счет достаточно высоких значений других частных критериев здоровья. Это случай «соматически (психически) больного, но в целом здорового» («j(y)-больного и Здорового») человека. Пример – Федор Достоевский, который был гениальным писателем (З-здоровым человеком) и одновременно больным эпилепсией (j- и y-больным).
— при высокой величине j (или y) может достигаться низкая величина З за счет достаточно низких значений других частных критериев здоровья. Это случай «соматически (психически) здорового, но в целом больного» («j(y)-здорового и Больного») человека. Пример – разного рода физически и психически здоровые самоубийцы.
Такого рода примеры являются контрпримерами для частных медицин, абсолютизирующих частные критерии здоровья. Следовательно, есть медицины и Медицина. Частные медицины абсолютизируют частные критерии здоровья. Медицина (с большой буквы) всегда понимает, что все критерии здоровья – это лишь частные случаи интегрального критерия Здоровья (З), охватывающего всю полноту бытия человека в мире. Этот интегральный критерий есть критерий обобщенной оптимальности бытия, с точки зрения которого может быть оценен не только человек, но и любое начало в мире. Так синтетическая Медицина одновременно оказывается своего рода медицинской философией.
Антропогенное загрязнение атмосферы и ее охрана
Атмосферный воздух, представляющий собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, – важнейшая жизнеобеспечивающая среда для всего живого на Земле. Но он воздействует не только на человека и живые организмы, но и на почвенно-растительный покров, гидросферу, геологическую среду, а также на различные техногенные объекты – здания, сооружения, памятники и др. Поэтому загрязнение атмосферы, под которым понимают попадание в нее физических и химических веществ и соединений, нарушающих ее газовый баланс, может крайне неблагоприятно сказываться на окружающей природной и техногенной среде.
Все источники загрязнения атмосферы подразделяют на естественные и антропогенные.
Естественное загрязнение атмосферы происходит в результате извержений вулканов, ветровой эрозии и пыльных бурь, попадания в нее космической пыли. Главную роль при этом играет вулканическая и флюидная активность Земли. Крупные извержения вулканов приводят к единовременному выбросу в атмосферу (причем не только в ее нижние, но и в более высокие слои) огромного количества газов и пепла. Воздушные потоки разносят их на очень большие расстояния. При этом влияние их сказывается иногда на протяжении нескольких лет.
В качестве примера такого рода в литературе часто приводится извержение вулкана Кракатау (вблизи о. Ява) в 1883 г., которое считают самым сильным за всю историю человечества. Согласно сообщениям, взрыв этого вулкана был слышен в Индийском океане на расстоянии 4800 км. На высоту почти 20 км было выброшено 75 млн м3 мельчайших твердых частиц вулканического пепла. Неудивительно, что в течение нескольких следующих месяцев этот пепел опоясал весь земной шар, главным образом в средних широтах. Подобные катастрофические извержения случаются и в наши дни. К их числу относятся, например, извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах и вулкана Ходсон в Чили в начале 90-х гг. XX в.
Другим примером «поставщика» пыли может служить пустыня Сахара. Возникающие над ее поверхностью пылевые облака затем переносятся восточными и северо-восточными пассатами над всей Западной Африкой.
Антропогенное загрязнение атмосферы вызывается гораздо большим количеством разного рода источников и наносит ей значительно более ощутимый вред, причем такой, который намного превышает способность воздушного океана к самоочищению. В качестве главных источников загрязнения атмосферы выступают: тепловая энергетика, металлургическая, химическая и нефтехимическая, целлюлозно-бумажная промышленность, строительная индустрия и автомобильный транспорт.
Человеческая деятельность приводит к тому, что загрязняющие вещества поступают в атмосферу в основном в двух видах – взвешенных частиц (аэрозолей) и различных газообразных веществ.
Аэрозольное загрязнение– это загрязнение атмосферы крупно– и мелкодисперсными твердыми (пыль) и жидкими (капельки) частицами, не относящимися к постоянному составу атмосферы или резко превышающими их фоновые концентрации. Общее количество аэрозолей антропогенного происхождения, поступающих в атмосферу Земли в течение года, оценивают в 1 млрд т; по расчетам разных авторов, они составляют от 10 до 50 % суммарного содержания подобных взвесей в атмосферном воздухе.
Аэрозоли в атмосфере способствуют образованию тумана и смога. Туман сам по себе не опасен для человеческого организма, но становится таковым, если в него попадают токсичные примеси. Что же касается смога (от англ. smoke – дым), то он может крайне отрицательно влиять на здоровье и самочувствие людей. Это относится и к влажному, так называемому лондонскому смогу (дымному туману), который наиболее характерен для умеренных широт, возникает обычно в осенне-зимнее время и довольно часто бывает в крупных городах Западной Европы и Северной Америки. В еще большей мере это относится к сухому фотохимическому, так называемому лос-анджелесскому, смогу, который образуется в летнее время в условиях сильной солнечной радиации. В результате фотохимических реакций он обладает повышенной токсичностью.
Еще один крупный источник аэрозолей преимущественно антропогенного происхождения – лесные пожары, порождающие дымные облака, простирающиеся порой на тысячи километров.
Еще большую опасность для человека и других живых организмов представляет поступление в атмосферу газообразных веществ, на которые приходится 97 % всех антропогенных выбросов в эту геосферу. Речь идет, прежде всего, о химических соединениях серы, азота, хлора и углерода.
Оксиды серы образуются главным образом в процессе работы тепловых электростанций и металлургических заводов, которые сжигают уголь, нефть и мазут (в угле содержание серы колеблется от 0,5 до 6 %, а в нефти и мазуте – от 0,5 до 3 %). Оксиды азота образуются при сжигании тех же видов топлива, но в этом случае основным его источником служит сам воздух. Общий объем поступлений сернистого газа, или диоксида серы (S02), в атмосферу Земли в разных источниках обычно оценивается от 100 млн до 150 млн т в год, оксида азота – около 100 млн т.
С попаданием в атмосферу соединений серы, а также азота непосредственно связана становящаяся все более актуальной проблема так называемых кислотных (кислых) дождей. Механизм их образования очень прост. Диоксид серы и оксиды азота в воздухе соединяются с парами воды, концентрируясь в первую очередь у основания облаков. Затем вместе с дождями (туманами) они выпадают на землю фактически в виде разбавленных серной и азотной кислот. Такие осадки резко нарушают нормы кислотности почвы, ухудшают водообмен растений, способствуя высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера, они угнетающе действуют на их фауну и флору, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни – от рыб до микроорганизмов.
Большой вред они наносят и различным конструкционным материалам, ускоряя коррозию металлов, разрушение исторических и архитектурных памятников.
Главные регионы распространения кислотных осадков в мире – США, зарубежная Европа, Россия. Но в последнее время они отмечены также в промышленных районах Японии, Китая, Бразилии, Индии, некоторых других стран. Статистика свидетельствует о том, что в первую десятку городов по уровню концентрации диоксида серы входят Тегеран, Рио-де-Жанейро, Стамбул, Москва, Пекин, Катовице, Тяньцзинь, Мехико, Каир и Сеул. А в первую десятку по степени концентрации оксидов азота попадают Милан, Мехико, София, Пекин, Кордова, Сан-Паулу, Сантьяго, Катовице, Нью-Йорк и Лондон.
С распространением кислотных осадков связано характерное географическое явление, которое обычно называют трансграничностъю. Оно проявляется в том, что расстояние между районами образования кислотных осадков и районами их выпадения может достигать многих сотен и даже тысяч километров. Например, главный виновник кислотных дождей в южной части Скандинавии – промышленные районы Великобритании, Бельгии, Нидерландов, ФРГ. В канадские провинции Онтарио и Квебек такие дожди переносятся из соседних районов США.
Несмотря на столь негативное воздействие соединений серы и азота на окружающую среду, пожалуй, еще больше внимания ученых, политических деятелей и широкой общественности привлекают последствия попадания в атмосферу различных соединений углерода. При этом прежде всего имеется в виду диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), который образуется при сжигании всех видов минерального топлива, но также оксид углерода, или угарный газ (СО), образующийся при неполном сгорании топлива и работе двигателей внутреннего сгорания, и метан (СН4), поступающий в атмосферу в результате сжигания биомассы, утечки из нефтяных и газовых скважин и по другим причинам. В количественном отношении среди них резко преобладает диоксид углерода. Он во многом и определяет общее поступление углерода в атмосферу. В отличие от довольно ядовитого оксида углерода (угарного газа) диоксид углерода (углекислый газ) сам по себе не ядовит, но с его накоплением в воздухе связана опасность возникновения парникового эффекта. Поэтому углекислый газ, как и метан, принято относить к числу так называемыхпарниковых газов.
Таблица 32
ГЛОБАЛЬНОЕ ПОСТУПЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
Анализ таблицы 32 показывает, что в 1950–2005 гг. мировой объем эмиссии углерода вырос в 3,7 раза достигнув 7 млрд т, или 26 млрд т СО2.[26] По прогнозам этот объем в 2015 г. составит 30, а в 2030 г. – 40 млрд т.
Однако ответственность за эти выбросы углерода в атмосферу разные регионы мира несут в разной степени. Из общего объема поступлений диоксида углерода, достигшего в середине 90-х гг. XX в. 22,4 млрд т, на Азию пришлось 7,1 млрд т (31,7 %), на Европу – 6,8 млрд т (30,6 %), на Северную и Центральную Америку – 5,7 млрд т (25,5 %) начале XXI в.
Еще отчетливее эти различия выступают при анализе данных по отдельным странам (табл. 33).
Таблица 33
ПЕРВЫЕ ДЕСЯТЬ СТРАН ПО РАЗМЕРАМ ВЫБРОСОВ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ В НАЧАЛЕ ХХ1в.
Как явствует из данных, приведенных в таблице 33, основную ответственность за выбросы углерода в атмосферу несут развитые страны. Отсюда вытекает и определенная географическая закономерность, которая уже не раз была отмечена в литературе: наиболее интенсивное поступление углерода в атмосферу характерно для той части Северного полушария, которая расположена между 40 и 50° с. ш. Тем не менее в состав первой десятки стран по размерам выбросов углерода вошли уже Китай, Индия и ЮАР. Можно добавить, что во вторую десятку входят также Мексика, Иран и Бразилия. При этом в Китае, как и в экономически развитых странах, эмиссия диоксида углерода связана главным образом со сжиганием минерального топлива, в Индии и Бразилии – со сжиганием минерального топлива и сведением (выжиганием) тропических лесов. Кстати, в выбросах диоксида углерода участвуют и многие наименее развитые страны, где сохранилась подсечно-огневая система земледелия. Не следует забывать и о том, что по размерам выбросов углерода из расчета на душу населения первые места в мире занимают нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие страны – Бахрейн (29 т) и Катар (70 т).
Характеризуя газообразные вещества, поступающие в атмосферу в результате человеческой деятельности, необходимо упомянуть также хлорфторуглеродные соединения (ХФУ, фреоны), имеющие чисто антропогенное происхождение. Эту группу газов широко используют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, в виде растворителей, распылителей, стерилизаторов, моющих средств и др. Хотя было известно и парниковое действие хлорфторуглеродов, их производство продолжало довольно быстро расти, достигнув уже 1,5 млн т. Оно и продолжало бы расти, если бы не было обнаружено отрицательное воздействие фреонов на озоновый экран Земли.
Наконец, нельзя не упомянуть и о радиоактивном загрязнении атмосферы. Хотя надземные атомные взрывы давно уже запрещены, все-таки до 1980-х гг. их было произведено (в основном США и Советским Союзом) более 500, в результате чего радиационный фон планеты повысился на 2 %. Но и в наши дни радиационное заражение воздуха может происходить при добыче и переработке урана, при работе разного рода атомных объектов, не говоря уже об авариях на них (пример – Чернобыльская АЭС).
Меры по борьбе с загрязнением и тем более заражением атмосферы начали предпринимать уже давно. Сначала для борьбы с кислотными осадками на ТЭС стали сооружать высокие и сверхвысокие дымовые трубы. Однако опыт показал, что таким способом можно защитить от вредных веществ лишь более или менее дальнее окружение ТЭС. Например, труба высотой 100 м увеличивает радиус рассеивания до 20 км, труба высотой в 250 м – до 75 км. Но за этими пределами кислотные осадки все равно выпадают. Поэтому в наши дни ученые и инженеры пришли к единодушному выводу: главный путь предупреждения загрязнения атмосферы должен заключаться в постепенном сокращении самих вредных выбросов, ликвидации их источников. Отсюда вытекают гораздо более высокие требования к топливу, запрет на использование высокосернистых угля и нефти и многие другие радикальные меры с акцентом на совершенствование существующих и внедрение новых, прогрессивных технологий. Эти меры нашли отражение и в международных соглашениях.
Охрана атмосферы от загрязнения очень актуальна и для России. В нашей стране максимум такого загрязнения был зарегистрирован в 1970-е гг. Затем в результате осуществления некоторых охранных мер оно стало снижаться. В еще большей степени это относится к постсоветской России, где такое уменьшение загрязнений произошло главным образом по причине сильного спада промышленного производства и связанного с ним сокращения выбросов диоксида углерода. Но при этом нужно учитывать, что в связи с ростом автомобильного парка возросло поступление в атмосферу оксида углерода и диоксида серы. В конце 1990-х гг. в 185 городах России с населением в 60 млн человек средняя за год концентрация хотя бы одного из загрязнителей атмосферы превышала ПДК. Поэтому в последнее время в России начали осуществлять дополнительные меры по мониторингу состояния атмосферы и ее охране.