Приоритеты и задачи экологии

Методы, задачи, подходы в экологии

Методы экологии

Методическую основу современной  экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Системный подход используется в экологии, поскольку любой ее предмет представляет собой систему или часть системы в силу всеобщей связи элементов живой природы.

Методы регистрации  и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся: метеорологические наблюдения, измерения температуры, прозрачности, солености и химического состава воды; определение характеристик почвенной среды, измерения освещенности, радиационного фона, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п. 

К этой же группе методов следует  отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды.

Методы количественного  учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках, в объемах воды или почвы, маршрутные учеты, наблюдения за перемещениями животных и т.д.

Исследования влияния  факторов среды на жизнедеятельность  организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их сило входят различные сложные и длительные наблюдения в природе. Но чаще применяют экспериментальные подходы, когда в лабораториях регистрируется воздействие строго контролируемого фактора на те или иные функции растений или животных, а также исследуется применимость полученных на животных результатов к экологии человека. Этим путем устанавливаются оптимальные или критические условия существования организмов, нормы их реакции на факторы среды.

Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах составляют важную часть системной экологии. Здесь также важны наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения. Особо следует упомянуть экспериментальную методику создания и исследования искусственных сообществ и экосистем, т.е. по существу лабораторное натурное моделирование взаимодействий организмов друг с другом и с окружающей средой.

Методы математического  моделирования приобретают все большее значение в экологии. Потребность в них для целей управления и прогнозирования очень велика. Существуют близкие к реальным процессам модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере. Намного сложнее моделирование экосистем.

Методы прикладной экологии быстро развиваются. Ее важными средствами становятся: 

► Создание геоинформационных систем и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, промышленным центрам и городам; 

► Комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки; 

► Методы инженерно-экологических изысканий, необходимых для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов; 

► Методы экологически ориентированного проектирования объектов, основанные на принципах и расчетах экологического соответствия; 

► Методы снижения коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий; 

► Методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградации окружающей среды на здоровье людей; 

► Методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности: экологический мониторинг, экологическая аттестация и паспортизация объектов, предприятий, территорий; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.

Приоритеты и задачи экологии

Главной задачей современной экологии как науки является консолидация различных ее разделов и огромного  фактического материала на единой теоретической платформе, сведение их в систему, отражающую все стороны реальных взаимоотношений природы и человеческого общества. Это необходимо для понимания современных экологических проблем, выработки новой экологической идеологии и методологии, правильной организации практической деятельности в области природопользования.

Приоритеты в области прикладной экологии связаны с глобальными  и национальными проблемами и  разработкой мер по их решению.

Важнейшие общие задачи современной  экологии сводятся к следующим:

• Раскрытие места и роли человека, цивилизации, техносферы в существовании экосферы планеты с позиций экологических законов. Нахождение и уточнение критериев, определяющих экологическую совместимость человека и биосферы и количественные пределы развития техносферы.
• Экологизация сознания людей: формирование новой идеологии и методологии экоцентризма, направленной на переход от экологически ориентированной постиндустриальной цивилизации на экологизацию экономики, производства, политики.
• Всеобъемлющая диагностика состояния природы планеты и ее ресурсов; определение порога выносливости живой природы по отношению к антропогенной нагрузке, т.е. к изъятию биологических ресурсов, загрязнению среды, изменению климата, которые наносятся человеческой деятельностью, и выяснение степени обратимости этих изменений.
• Разработка прогнозов изменения биосферы и состояния окружающей среды при разных сценариях экономического и социального развития человечества. Выработка критериев оптимизации – выбора наиболее согласованного с экологическим императивом и экологически ориентированного социально-экономического развития общества.
• Формирование такой стратегии поведения общества, такой экономики и таких технологий, которые приведут масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствие с экологической выносливостью природы и остановят глобальный экологический кризис.

Системный подход в экологии

Понятие системы лежит в основе экологии, поскольку экологическая  система является главным объектом данной науки.

Согласно  общей теории систем, система – это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы. Каждая система имеет определенную структуру, определяемую формой пространственно- временных связей или взаимодействий между элементами системы.

Некоторые свойства систем: 1. Систему можно назвать организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной (выполняющей определенную работу) структуры, либо, напротив, зависит от деятельности такой структуры.

2. Согласно принципу необходимого  разнообразия система не может  состоять из элементов, лишенных  индивидуальности.

3. Свойства системы невозможно  постичь лишь на основании  свойств ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодействие между элементами. Несводимость свойств системы к сумме свойств отдельных ее элементов называется эмерджентность.

4. Преобладание внутренних взаимодействий  в системе над внешними и  лабильность системы по отношению  к внешним воздействиям определяют ее способность к самосохранению. Внешнее воздействие на систему, превосходящее силу и гибкость ее внутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям и гибели системы.

5. Действие системы во времени  называют ее поведением. Вызванное внешними факторами изменение поведения системы называют реакцией системы, а качественное изменение реакции системы, связанное с изменением структуры и направленное на стабилизацию поведения - ее приспособление или адаптация.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе и обществе, то есть природа и общество находятся в одной сети системных взаимодействий.

Экосистема – это пространственно определенная совокупность живых организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Понятие экосистемы приложимо как  к относительно простым искусственным (аквариум, теплица и т.д), та к и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, океан, экосфера).

Переходя от общих свойств сложных  систем к свойствам экологических  систем, следует остановиться на основных системных постулатах, отражающих причины и закономерности организации и поведения экологических систем.

1. в мире действует закон всеобщей связи явлений в природе и обществе, преломляемый в экологии в виде принципа целостности. В живой природе тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что живые системы характеризуются наиболее разнообразными и интенсивными превращениями вещества, энергии и информации.  

Динамичная сеть связей и зависимостей характерна и для человеческого  общества, для всех характеристик  общественного производства. В экономике  все связано, любая оценка зависит  от других экономических оценок и  в свою очередь влияет на них. То есть природа и обществ находятся в одной сети системных взаимодействий.

2. При внешнем воздействии, выводящим  систему из состояния устойчивого  равновесия, это равновесие смещается  в направлении, при котором  эффект внешнего воздействия  уменьшается. На биологическом уровне этот принцип реализуется в виде способности к саморегуляции и относительного постоянства важных параметров состояния организма или сообщества организмов. В масштабе биосферы действие этого принципа основано на глобальной биотической регуляции окружающей среды.

3. Закон сохранения массы вещества одновременно является и основным требованием рационального природопользования. Ведь в отличие от человеческого производства и быта живая природа практически безотходна – в ней нет мусора: все засохшие листья, стебли, трупы и экскременты животных становятся пищей для других организмов ( насекомых, червей, грибов, бактерий и т.д.). При этом в целом для биосферы при количественном балансе масс всегда соблюдается равенство синтеза и распада. Это означает высокую степень замкнутости круговорота веществ в биосфере.

Деятельность человека привела  к нарушению этой замкнутости, и  следовательно в пространстве появились  необычайно высокие концентрации некоторых  элементов и синтетических соединений. Существующие способы изоляции конечных продуктов не гарантируют от дальнейшего загрязнения, а лишь растягивают его во времени.

Антропогенное воздействие на природу  не ограничивается загрязнением. Не меньшее  значение имеет эксплуатация природных  ресурсов и обусловленные ею нарушения экологических систем.

4. Закон развития системы за счет окружающей среды подразумевает, что любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды, абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Это означает, что существенное увеличение числа или массы каких-либо организмов за относительно короткий срок может происходить только за счет уменьшения числа или массы других организмов.

5. В живой природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако оно ограничено емкостью среды, конечными количествами пищи и пространства, межвидовыми отношениями и другими факторами.

6. Закон толерантности гласит: благополучие популяции или вида организмов в определенной среде зависит от комплекса экологических факторов, для каждого из которых существует определенный порог выносливости или толерантности (терпения) организма. Совмещение этих зон толерантности образует экологическое пространство существования популяции или вида – его экологическую нишу.

7. Существуют законы экодинамики: закон сохранения структуры биосферы, закон стремления к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем.

Экосфера

Современные глобальные экологические  проблемы возникли на почве столкновения между техносферой и биосферой, в котором техносфера играет агрессивную  роль.

Согласно Вернадскому биосфера слагается из трех категорий субстанции:

1. Живое вещестов – совокупность всех живых организмов: микроорганизмов, грибов, растений и животных.
2. Биогенное вещество – мертвая органика.
3. Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды и т.д.)

Техносферу можно определить как планетарное пространство, находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности.

Поскольку биосфера и техносфера находятся  в постоянном взаимодействии, их сумму можно представить как единую систему – экосферу. Экосфера – это совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами. 

Модель взаимодействия между биосферой  и техносферой можно представить  в виде прямых и обратных связей.

Экосистема — это функциональное единство живых организмов и среды их обитания. Основные характерные особенности экосистемы — ее безразмерность и безранговость. Замещение одних биоценозов другими в течение длительного периода времени называется сукцессией. Сукцессия, протекающая на вновь образовавшемся субстрате, называется первичной. Сукцессия на территории, уже занятой растительностью, называется вторичной.

Единицей классификации экосистем  является биом — природная зона или область с определенными  климатическими условиями и соответствующим  набором доминирующих видов растений и животных.

Особая экосистема — биогеоценоз  — участок земной поверхности с однородными природными явлениями. Составными частями биогеоценоза являются климатоп, эдафотоп, гидротоп (биотоп), а также фитоценоз, зооценоз и микробоценоз (биоценоз).

С целью получения продуктов  питания человек искусственно создает  агроэкосистемы. Они отличаются от естественных малой устойчивостью и стабильностью, однако более высокой продуктивностью.

Экосистемы — основные структурные  единицы биосферы

Экологическая система, или экосистема, — основная функциональная единица  в экологии, так как в нее входят организмы и

неживая среда — компоненты, взаимно  влияющие на свойства друг друга, и  необходимые условия для поддержания  жизни в той ее форме, которая  существует на Земле. Термин экосистема впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли.

Таким образом, под экосистемой  понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту  веществ, устойчивую систему жизни.

Сообщества организмов связаны  с неорганической средой теснейшими материально- энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.

В любом конкретном месте обитания запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания  жизнедеятельности населяющих его  организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат  биогенных элементов в среду  происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.

Следовательно, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

Рис. 8.1. Структура биогеоценоза и  схема взаимодействия между компонентами

В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. B. Н Сукачевым. По его определению, биогеоценоз — «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии».

В биогеоценозе В.Н. Сукачев выделял  два блока: экотоп — совокупность условий абиотической среды и биоценоз — совокупность всех живых организмов (рис. 8.1). Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп — как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов.

Существует мнение, что термин «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается, прежде всего, ее функциональная сущность. Фактически же между этими терминами различий нет.

Следует указать, что совокупность специфического физико-хи- мического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему:

Экосистема = Биотоп + Биоценоз.

Равновесное (устойчивое) состояние экосистемы обеспечивается на основе круговоротов веществ (см. п. 1.5). В этих круговоротах непосредственно участвуют все составные части экосистем.

Для поддержания круговорота веществ  в экосистеме необходимо наличие  запаса неорганических веществ в  усвояемой форме и трех функционально  различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Продуценты

Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы.

Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов в течение жизни, выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена — консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.

Масштабы  экосистемы в природе весьма различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т.е. многократность вовлечения одних и тех же элементов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

В некоторых типах экосистем вынос  вещества за их пределы настолько  велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т.п.).

Экосистема  — практически замкнутая система. В этом состоит принципиальное отличие  экосистем от сообществ и популяций, являющиеся открытыми системами, обменивающимися  со средой обитания энергией, веществом  и информацией.

Однако  ни одна экосистема Земли не имеет  полностью замкнутого круговорота, поскольку минимальный обмен  массой со средой обитания все-таки происходит.

Экосистема  является совокупностью взаимосвязанных  энергопотребителей, совершающих работу по поддержанию ее неравновесного состояния относительно среды обитания за счет использования потока солнечной энергии.

В соответствии с иерархией сообществ  жизнь на Земле проявляется и  в иерархичности соответствующих  экосистем. Экосистемная организация  жизни является одним из необходимых условий ее существования. Как уже отмечалось, запасы биогенных элементов, необходимых для жизни организмов на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности, небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни.

Поддерживать  и осуществлять круговорот могут  только функционально различные  группы организмов. Функционально-экологическое  разнообразие живых существ и  организация потока извлекаемых  из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни.

С этой точки зрения устойчивое существование  многих видов в экосистеме достигается  за счет постоянно происходящих в  ней естественных нарушений местообитаний, позволяющих новым поколениям занимать вновь освободившееся пространство.

Экологические сообщества

 
1.    Какие экологические сообщества  вам известны? 
2.    Чем фитоценоз отличается от биоценоза? 
3.    В чем различие между биоценозом и экосистемой?

 
Биоценоз.

Взаимодействие популяций определяет характер функционирования следующего, более высокого уровня организации живого — биотического сообщества, или биоценоза.

Биоценоз — не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними. Как и популяция, биоценоз имеет собственные свойства, например видовое разнообразие, структуру пищевой сети, биомассу, продуктивность. Одна из главных задач экологии — выяснить взаимосвязи между свойствами и структурой (составом) сообщества, которые проявляются независимо от того, какие виды входят в него.

 
Экосистема.

Другой объект экологического исследования — экоcистема. Это любое сообщество живых существ вместе с его физической средой обитания, функционирующее как единое целое. Примером экосистемы может служить пруд, включающий сообщество гидробионтов (организмов, жизнь которых протекает в воде), физические свойства и химический состав воды, особенности рельефа дна, состав и структуру грунта, взаимодействующий с поверхностью воды атмосферный воздух, солнечную радиацию.

Рассмотрение экосистемы важно  в тех случаях, когда речь идет о потоках вещества и энергии, циркулирующих между живыми и  неживыми компонентами природы, о динамике элементов, поддерживающих существование  жизни, об эволюции сообществ. Ни отдельный организм, ни популяцию, ни сообщество в целом нельзя изучать в отрыве от окружающей среды. Экосистема, по сути, это то, что мы называем природой.

Экосистема — понятие очень  широкое и применимое как к  естественным (например, тундра, океан), так и к искусственным комплексам (например, аквариум). Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи также используют термин «биогеоценоз».

 
Биогеоценоз — исторически сложившаяся  совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с  занимаемым ими участком земной поверхности (биотопом) (рис. 131). Граница биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза) — важнейшего компонента биогеоценозов. Для каждого биогеоценоза характерен свой тип вещественно-энергетического обмена.

 
Классификация экосистем.

При классификации наземных экосистем  обычно используют признаки растительных сообществ (составляющих основу экосистем) и климатические (зональные) признаки. Так, выделяются определенные типы экосистем, например тундра лишайниковая, тундра моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), лес дождевой (тропический), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое, болото сфагновое.

Часто в основу классификации природных  экосистем кладут характерные экологические  признаки местообитаний, выделяя сообщества морских побережий или шельфа, озер или прудов, пойменные или суходольные луга, каменистые или песчаные пустыни, горные леса, эстуарии (устья больших рек) и др.

Все природные экосистемы связаны  между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему. Эта экосистема называется биосферой.

 
Искусственные экосистемы.

На протяжении многих тысячелетий  человек жил в естественной среде  обитания, не оказывая серьезного воздействия  на процессы, происходящие в биосфере. С развитием цивилизации отношения человека и природы существенно изменялись. Человек все шире использовал природные ресурсы, разрушал сложившиеся экосистемы и создавал искусственные экосистемы.

Наиболее распространенными искусственными экосистемами являются агробиоценозы. Они занимают около 10% всей поверхности суши, создаются для получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаются человеком.

В агробиоценозе (например, поля, огорода, сада, пастбища) складываются те же пищевые цепи, что и в естественной экосистеме: продуценты (культурные растения, сорняки), консументы (насекомые, птицы, грызуны, хищники) и редуценты (бактерии и грибы). Человек является обязательным звеном этой пищевой цепи. Он создает условия для высокой продуктивности агроценоза, а затем использует урожай.

 
Сравнение естественных и искусственных  экосистем.

Между агро- биоценозом и естественной экосистемой имеются существенные различия. Важным свойством природного сообщества является его устойчивость. Экологическая устойчивость агробиоценозов невелика. Без участия человека агробиоценозы зерновых и овощных культур существуют не более года, агробиоценозы многолетних трав — 3 года, плодовых культур — 20 лет.

Для естественного биоценоза единственным источником энергии является Солнце. Агробиоценозы, помимо солнечной энергии, получают дополнительно энергию, затрачиваемую человеком на обработку почвы, борьбу с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, внесение удобрений и т. д.

В естественной экосистеме первичная  продукция растений (урожай), пройдя через многочисленные цепи питания, вновь возвращается в систему биологического круговорота. В агробиоценозе такой круговорот нарушен, так как большая часть продукции изымается человеком при сборе урожая. В результате постоянно приходится заботиться о поддержании плодородия почвы, внося удобрения.

Агробиоценозы дают человечеству около 90% пищевой энергии Однако при  неправильном ведении сельскохозяйственного производства происходит потеря плодородия почвы, ее засоление, опустынивание огромных территорий и загрязнение окружающей среды Массовое сведение лесов под сельскохозяйственные угодья приводит к серьезным негативным изменениям в биосфере.

 
Экосистемы городов.

Наряду с агробиоценозами экосистемы городов и промышленных предприятий  занимают все большее место в  развитии биосферы на нашей планете. Уже сейчас более половины населения  Земли живет в городах и  поселках городского типа, а в про- мышленно развитых странах эта цифра доходит до 70% .

В экосистемах городов нарушено соотношение продуцентов консу- ментов и редуцентов. В город поступает  энергия и ресурсы, необходимые  для промышленности, транспорта и  жизнедеятельности его жителеи. Город производит огромное количество ядовитых газов, токсичных отходов, загрязняющих окружающую среду. В городской экосистеме экологическое равновесие невозможно. Регулирование всех процессов, связанных с потоками вещества и энергии в городе, берет на себя человек.

Очень важно, чтобы город был экосистемой, пусть не абсолютно благоприятной, но хотя бы не вредящей здоровью людей.

Еще в средние века было замечено, что продолжительность жизни  горожан меньше, чем у сельских жителей. Отсутствие зелени, узкие улочки, маленькие дворы-колодцы, куда практически не проникал солнечный свет, создавали неблагоприятные условия для жизни человека.

Разнообразные факторы, связанные с ростом городов, в той или иной мере сказываются на формировании человека, на его здоровье Это заставляет ученых все серьезнее изучать влияние среды обитания на жителей городов. Оказывается, от того, в каких условиях живет человек, какая высота потолков в его квартире и насколько звукопроницаемы ее стены, как человек добирается до места работы, с кем он повседневно общается, как окружающие люди относятся друг к другу, зависит настроение человека, его трудоспособность, активность и вся его жизнь.