Задачи и методы современной экологии

В настоящее время перед экологией стоит целый комплекс общих теоретических и прикладных задач, которые обусловлены как традиционным биологическим подходом этой науки, так и современными проблемами, связанными с негативным антропогенным воздействием на природную среду.

На стыке экологии и физиологии решаются такие актуальные задачи как установление механизмов адаптации животных и растений к различным условиям и факторам среды, в том числе к экстремальным – к холоду, к высоким температурам, к сухости, снижению или повышению давления и т.д. Эти исследования проводятся как на уровне отдельных особей, так и на уровнях популяций и биоценоза. Эколог изучает географическую и сезонную изменчивость структуры популяции, адаптационные биологические ритмы в популяции или в биоценозе в целом.

Одной из важнейших задач популяционной экологии является установление причин динамики количественных показателей популяций. На результатах этих исследований во многом основывается планирование объёмов промысловой эксплуатации различных животных, в частности промысловых рыб, прогнозирование степени возможного изъятия части популяции без подрыва её репродуктивного потенциала. Крупными научными работами по данной тематике являются монографии М.Н Андреева и С.А Студенецкого ''Оптимальное управление на промысле'' (1975 г.) и А.И. Трещева ''Интенсивность промысла'' (1983 г.). Знание основных причин определяющих изменчивость величин рождаемости и смертности в популяции, позволяет разработать соответствующие методы для регуляции её численности, что находит своё практическое применение в биологической борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур, а также в аквакультуре при выращивании промысловых беспозвоночных и рыб.

Важными теоретическими задачами экологии являются установление величин первичной и вторичной продуктивности экосистем, оценка деятельности организмов по утилизации вещества и энергии на различных трофических уровнях, определение интенсивности обмена веществ и скорости роста животных и растений в зависимости от влияния различных факторов среды. Прикладными задачами в данном направлении, являются разработка рекомендаций по поддержанию плодородия почвы и предотвращению его снижения, установление целесообразности применения различных удобрений и допустимых норм их внесения в почву, рациональное размещение и уход за посевами, оценка экономической эффективности выращивания различных культурных растений и животных.

Оценка степени устойчивости природных и природно-антропогенных хозяйственных систем невозможна без применения экологических принципов и законов. Под устойчивостью понимается способность системы восстановить свои параметры и характеристики после определённого внешнего воздействия на неё. Применительно к организменному уровню организации жизни, примером проявления свойств устойчивости является иммунитет, т.е. выработка определённых белков (антител) способных предотвратить развитие или ослабить тяжесть течения инфекционного заболевания. В результате организм справляется с болезнью и возвращается в прежнее здоровое состояние. На уровне популяции, механизмами поддержания устойчивости применительно к параметрам общей численности и плотности особей, являются внутривидовая конкуренция и межвидовые взаимоотношения (хищничество, паразитизм и др.) благодаря которым количество особей в популяции возвращается к оптимальному уровню, который соответствует пищевым ресурсам данного местообитания, тем самым предотвращается их полное исчерпание и деградация местной экосистемы. Борьба за существование с внешними абиотическими условиями и факторами среды, а также естественный отбор, основанный на внутривидовых конкурентных взаимоотношениях, приводят к преобладанию в популяции более полноценных генетически и физиологически особей, обладающих наибольшей выживаемостью, что также является одним из экологических механизмов поддержания устойчивости. На уровне биоценоза, устойчивость проявляется в процессе межвидовой конкуренции, в результате чего в составе сообщества остаются только те виды, которые способны наиболее адекватно и полно использовать имеющиеся ресурсы среды, не нарушая при этом баланс между продукцией биологического вещества и его утилизацией. Наконец, на уровне биосферы глобальная устойчивость проявляется в контроле живыми системами важнейших параметров окружающей среды, в том числе таких, как состав атмосферного воздуха, содержание в нём углекислого газа и кислорода, которое во многом зависит от фотосинтетической деятельности растений. В свою очередь, концентрация СО_2, через парниковый эффект может влиять на температуру нижних слоёв атмосферы и климат. Установлено, что не нарушенные растительные сообщества в состоянии достаточно быстро поглощать избыток углекислоты из атмосферы за счёт увеличения интенсивности фотосинтеза, предотвращая те самым значительные глобальные изменения в газовом и термическом режиме атмосферы Земли.

Таким образом, оценка устойчивости живых систем различного уровня и окружающей среды в целом, представляет собой не только одну из главных теоретических задач экологии, но имеет также важнейшее практическое значение, связанное с установлением той меры возможной антропогенной нагрузки на данную популяцию или сообщество, которая не приведёт к их деградации и гибели.

Существует также ряд типично прикладных экологических задач, направленных на оценку степени и характера влияния антропогенной хозяйственной деятельности на биоценозы или их элементы, и разработку рекомендаций по предотвращению негативных изменений. Обычно оценка состояния природной среды проводится на основе экосистемного подхода, связанного со всесторонним изучением количественных и качественных показателей биоценоза и его абиотического окружения. При этом широко используются данные, полученные в рамках географических, физических и химических исследований среды, в чём проявляется тесная связь экологии с большинством естественных наук. После выделения районов с наиболее неблагоприятной экологической обстановкой следующей задачей является обоснование мер и конкретных способов по восстановлению почвенного покрова и растительных сообществ, очистки водоёмов и водотоков и т.д.

Для предотвращения негативного воздействия человека на природу с учётом экологических подходов осуществляется утилизация и рециркуляция отходов производства, а также разрабатывается система особо охраняемых природных территорий.

Методом научного познания является совокупность организованных действий, целью которых является достижение истины. Применяемые в экологии методы соответствуют особенностям решаемых прикладных или теоретических задач. В целом, экологические методы можно подразделить на полевые, дистанционные, экспериментальные, теоретического обобщения, моделирование. Полевые методы предполагают получение данных непосредственно в процессе нахождения исследователя в естественной природной среде в период проведения различных сухопутных и морских экспедиций. Дистанционные методы основаны на получении данных с помощью различных автоматизированных систем наблюдения, в том числе с помощью самолётов и орбитальных спутников. Экспериментальные методы применяются тогда, когда достаточно сложно или невозможно в полевых условиях установить степень и характер воздействия определенных факторов среды на исследуемый биологический объект. Эксперимент проводится по строго определенной программе, включающей в себя наблюдения и точную регистрацию параметров жизнедеятельности особей (двигательной активности, дыхания, интенсивности питания, скорости роста, рождаемости и смертности и др.) в зависимости от количественных значений одного или нескольких факторов среды (температуры, солёности воды, рН, освещения и др.). Данные, полученные в результате одного эксперимента или их серии, позволяют в лабораторных условиях выявить и оценить различные причинно-следственные связи между абиотическими и биотическими характеристиками. Тем не менее, необходимо понимать, что результаты, полученные в лабораторных условиях, не всегда могут в полной мере отражать происходящее в естественной природной среде, так как в опыте чрезвычайно трудно учесть всё многообразие природных условий и факторов потенциально способных оказывать значительное воздействие на изучаемый объект.

Теоретическое обобщение полученных данных позволяет выявить пространственную или временную неоднородность в исследуемых природных явлениях, что в дальнейшем будет способствовать построению гипотез, т.е. обоснованных предположений объясняющих механизмы взаимосвязей между живыми и неживыми компонентами природы.

Модель представляет собой абстрактное упрощённое подобие реальности. Примером модели может служить географическая карта. Экологические модели строятся на основании теоретических обобщений совокупности сведений, полученных в результате полевых наблюдений и экспериментов. Моделирование динамики численности отдельной популяции или процессов происходящих в целой экосистеме почти всегда является чрезвычайно сложным делом, требующим весьма значительных затрат средств и времени. Построение модели включает несколько этапов. Первоначально производят тщательное всестороннее изучение реальных природных явлений и взаимосвязей. Выдвигаются первичные предположения о характере происходящего. На втором этапе разрабатывается логическая модель, в которой исходя из имеющихся фактов и общих экологических принципов, формулируются главные закономерности свойственные для рассматриваемой экосистемы. На третьем этапе логическая модель уточняется и приобретает строгое математическое выражение в виде совокупности уравнений. Наконец, четвёртый этап – это расчёт на основе построенной модели интересующих биологических параметров и сравнение результатов моделирования и действительностью. При значительном (более 40 %) расхождении между реальными и полученными на основе разработанной модели значениями, модель отвергают или совершенствуют. Математическими моделями описываются и проверяются различные варианты динамики численности популяций растений и животных, процессы биологической продуктивности в наземных и морских экосистемах, ход восстановления нарушенных экосистем и т.д.

Создание объективной логической или математической модели представляет собой вершину, основной результат научного творчества, который позволяет в дальнейшем решать широкий круг актуальных прикладных и теоретических задач.

Литература:

Основная [4] – Т. 1 – с. 11 – 23; Дополнительная [2] – с. 11 – 20.