Специфика методологии экологии

• автотрофы — организмы, самостоятельно обеспечивающие себя органической пищей
• гетеротрофы — организмы, питающиеся готовыми органическими веществами

В природе происходит непрерывный  круговорот биогенных веществ, необходимых  для жизни: химические вещества извлекаются  автотрофами из окружающей среды  и вновь в нее возвращаются в основном через гетеротрофов. Таким образом, в процессе эволюции в экологических системах сложились определенные цепи питания.

Цепи питания — цепи взаимосвязанных видов, последовательно  извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества: каждое предыдущее звено является пищей для следующего.

Цепи питания в каждом природном участке с более  или менее однородными условиями  существования составлены своими комплексами  видов, образующими самоподдерживающуюся систему, в которой осуществляется круговорот веществ. Такая устойчивая экологическая система получила название биогеоценоз (от гр. «биос» — жизнь + «гео» — земля + гр. «койноо — общий).

Структуру биогеоценоза составляют:

• зеленые растения — производители живого вещества (продуценты),
• растительноядные и плотоядные животные — потребители органического вещества (консументы);
• микроорганизмы — разрушители органического вещества до простых минеральных соединений (редуценты).

В экологических системах (биогеоценозах) в процессе эволюции в цепях питания определилась важная закономерность, получившая название правило экологической пирамиды.

Согласно правилу экологической  пирамиды количество растительного  вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем  масса растительноядных животных, и  каждый последующий пищевой уровень  также имеет массу в 10 раз меньшую.

В природе часто происходит смена биогеоценозов. Это преемственное  естественное развитие экологической  системы, при котором один биоценозы  сменяются другими под влиянием природных факторов среды (на месте  леса образуется болото, на месте болота — луг), стихийных бедствий (пожаров, паводков, землетрясений) или влиянием человека (вырубка леса, осушение болот, орошение земель). Такое явление  получило название сукцессии. Сукцессии  могут быть первичными и вторичными.

Человек может изменять естественную смену биогеоценозов, задерживать  се развитие на хозяйственно более  ценной стадии или создавать искусственные биоценозы.

Владея знаниями экологии, человек может предвидеть смену  биогеоценозов, сохранить нужный ему, устранить причину или уничтожить надвигающуюся катастрофу.

Агроценозы (от гр. «агрос» — поле + гр. «ценоз» — общий) — искусственно созданные человеком биоценозы. Такой биоценоз не способен длительно существовать без вмешательства человека, не обладает саморегуляцией и в то же время характеризуется высокой продуктивностью (урожайностью) одного или нескольких видов (сортов, пород) растений или животных.

3.2. Общенаучные методы экологии 

Известно также две  группы общенаучных методов –  эмпирические и теоретические. Эмпирические методы – наблюдение, описание, измерение  и эксперимент – явились решающими  в истории развития естествознания, так как они характеризуются  непосредственным исследованием реальных чувственно воспринимаемых объектов. От количества собранных в природе  фактов зависит точность и достоверность  теоретических обобщений (например, только сеть метеостанций на обширной территории может стать информационной базой для реального метеорологического прогноза).

Теоретические методы –  это логические механизмы создания гипотез, законов, теорий. К ним относятся: формализация, аксиоматизация, гипотетико-дедуктивный  метод и др. Теоретические и  эмпирические методы в научных исследованиях  неотделимы друг от друга, поскольку  все научные выводы формируются  либо по пути от модели к фактам из природы, либо по пути от фактов к модели природных процессов.

3.3. Частнонаучные методы экологии

Частнонаучные методы используются только в рамках конкретного раздела науки или конкретного явления. Экология, как и каждая частная наука, имеет свои специфические методы исследования. Частнонаучные методы опираются на теоретические (то есть на проверку теории) и используют эмпирические (наблюдение, эксперимент…) и диалектические методы.

Характер сочетания всех методов определяется спецификой научного исследования. Например: выдвигается  гипотеза о том, что стоки целлюлозно-бумажного  завода (ЦБЗ) отрицательно сказываются  на ихтиофауне оз. Байкал. Чтобы подтвердить  гипотезу, производится сбор фактов о  численности и состоянии популяций  рыб вблизи и вдали от ЦБЗ за несколько лет (эмпирические методы). Исследуется состав сточных вод  ЦБЗ, влияние химических компонентов  стоков на организмы (эмпирические методы). Собранные сведения обрабатываются математически, выявляется степень  сходства удаленных друг от друга  популяций рыб (всеобщие методы). На основе результатов обработки данных строится модель дальнейшего развития ситуации (теоретические методы). В  течение этого исследования частнонаучные методы весьма разнообразны:

- использование планктонных  сетей при изучении кормовой базы рыб;

- центрифугирование при изучении состава стоков;

- шкалирование в многомерное пространство евклидовых дистанций при обработке данных о популяциях рыб и многие другие.

Таким образом, в научном  познании применяется, как правило, комплекс методов, от правильного сочетания  которых и зависят результаты исследований. При этом накопление новых сведений вносит поправки, обогащает  или опровергает существующие научные  факты. И хотя философия науки  всегда стремилась рассматривать явления  в их целостности, практика науки  являет сочетание двух подходов: редукционистский – познание явлений путем детального анализа все более и более  мелких явлений и компонентов  и холистический, основанный на синтезе, а не разделении явлений. В настоящее время именно холистический подход применяется при решении задач экологии и безопасности жизнедеятельности.

4. Уровни организации живого от генов до экосистем

Планета Земля представляет собой единую экосистему. Океаны, леса, степи и т. д. представляют собой более мелкие экосистемы, связанные между собой потоком энергии и обменом веществами в общепланетарную биосферу. Популяция — это группа организмов одного вида, обитающих на ограниченной территории и обычно в той или иной степени изолированных от сходных групп. Сообщество — любая группа организмов, принадлежащих к разным видам и сосуществующих в одном местообитании или определенной местности; все эти организмы связаны между собой пищевыми и пространственными взаимодействиями. Экосистема представляет собой взаимодействующие как единое целое сообщество и окружающую его физическую среду.

4. 1. Подходы в экологии

Отличительная черта экологии — холистический подход, придающий  большее значение целому, а не его  составным частям. Эколог в идеале должен учитывать сразу все факторы, взаимодействующие в данном месте. Конечно, это невозможно, поэтому  на практике большинство ученых в  своих исследованиях отдают предпочтение одному из перечисленных ниже «неидеальных»  подходов.

1. Экосистемный подход в экологии. При таком подходе в центре внимания эколога оказывается обмен энергией и веществами между биотическим и абиотическим компонентами экосистемы. Делается упор на функциональные связи организмов между собой (например, пищевые цепи) и с их физическим окружением. Видовой состав биоты и судьба составляющих ее отдельных таксонов при этом отодвигаются на второй план.

2. Синэкологинеский подход или изучение сообществ, ставит во главу угла биотический компонент экосистемы. Важными объектами при таком исследовании становятся сукцессия и климаксные сообщества.

3. Популяционный (аутэкологический) подход в экологии использует  в настоящее время главным  образом математические методы  при изучении закономерностей  роста, сохранения или сокращения  численности популяций отдельных  видов. Он дает научную основу  для понимания «вспышек» численности,  например сельскохозяйственных  вредителей или патогенных микробов, а также помогает определить  критическую численность особей, необходимую для выживания редкого вида. Традиционная аутэкология исследует взаимоотношения какого-либо конкретного вида с окружающей средой. Она пытается связать особенности его морфологии, поведения, пищевых предпочтений и т. п. с типами местообитаний, распределением и эволюционной историей.

4. Экотопный подход в экологии. Экотоп, или местообитание, — объект, ограниченный в пространстве. Под ним понимают ту часть биосферы, с которой тесно взаимодействуют организм, популяция, сообщество или экосистема. Любое местообитание неоднородно и может быть подразделено на микроместообитания с условиями, отличными от усредненных (например, под корой дерева или на его листьях). Этот подход удобен для изучения отдельных факторов среды, тесно связанных с растениями и животными, в частности состава почвы, влажности, освещенности.

5. Эволюционный (исторический) подход в экологии. Изучая изменения  экосистем, сообществ, популяций  и местообитаний во времени,  мы можем понять причины этих  изменений, что создает основу  для более или менее достоверных  прогнозов на будущее. Эволюционная  экология занимается изменениями,  происходящими в геологических  временных масштабах. Ее интересует, скажем, влияние таких событий,  как образование горных хребтов,  на формирование и распространение  видов и таксонов. Она может  ответить, например, на вопрос, почему  кенгуру водятся только в Австралии  или почему в дождевых тропических  лесах встречается такое разнообразие  видов. Она помогает понять, какие  факторы привели к образованию  и вымиранию того или иного  вида, а на более детальном  уровне — объяснить происхождение  тех или иных особенностей  морфологии вида или репродуктивной  стратегии. Палеоэкология применяет  знания, накопленные при изучении  современных экосистем, к ископаемым  организмам. Она пытается реконструировать  экосистемы прошлого и, в частности,  понять, как функционировали экосистемы  и сообщества до вмешательства  человека. Историческая экология  занимается антропогенными изменениями  в экосистемах, т. е. влиянием  на экосистемы развивающихся  технологий и культуры людей.  Осознание того, что человек —  это основной фактор, оказывающий  разрушительное воздействие на  окружающую среду, жизненно необходимо для ее охраны. Особенно в плане экономического обоснования тех или иных природоохранных стратегий, очень важно различать собственно антропогенные и естественные процессы в биосфере. Например, является ли подкисление вод и почвы чисто природным явлением или это целиком и полностью обусловлено промышленным загрязнением атмосферы и, следовательно, преодолимо путем вмешательства в технологию производства. Перечисленные экологические подходы взаимосвязаны и не разделены четкими границами. Однако их полезно различать с методологической точки зрения.

4. 2. Подходы: популяционный, экосистемный, эволюционный и исторический.

В зависимости от того, что  является объектом, и какова цель исследований используются разные подходы: популяционный (популяция – совокупность особей одного вида), экосистемный, эволюционный и исторический.

Популяционный подход предусматривает  изучение размещения в пространстве, особенности поведения и миграции (у животных), процессов размножения (у животных) и возобновления (у  растений), физиологических, биохимических, продукционных и других процессов, зависимости всех показателей от биотических и абиотических факторов. Исследования проводятся с учетом структуры  и динамики (сезонной, онтогенетической, антропогенной) популяций, численности  ее организмов. Популяционный подход обеспечивает теоретическую базу для  прогнозирования рождаемости (в растительном сообществе – возобновления), выживания (динамики жизненного состояния) и смертности (распада, гибели). Он позволяет прогнозировать вспышки вредителей в лесном и сельском хозяйстве, позволяет выявить критическую численность вида, необходимую для его выживания.

Экосистемный подход выдвигает на первый план общность структурно-функциональной организации всех экосистем, независимо от состава сообществ, среды и места их обитания. Основное внимание при этом подходе уделяется изучению потока энергии и циклам круговорота веществ в экосистемах, установлению функциональных связей между биологической составляющей и окружающей средой, т.е. между биотическими факторами и абиотическими. Экосистемный подход предусматривает всестороннее изучение всех популяций живых организмов сообщества (растения, микроорганизмы, животные) с учетом влияния на них ограничивающих факторов (эдафические, топографические, климатические). При этом подходе пристальное внимание уделяется анализу местообитаний, так как параметры факторов среды: физико-химические свойства почв, теплообеспеченность, влажность, освещенность, скорость ветра, и др., легко измеряются и поддаются классификации.

В качестве примера успешности экосистемного подхода к изучению биосферы можно привести итоги работы ученых из разных стран, работавших с 1964 по 1980 гг. по Международной биологической программе (МБП). Конечной целью МБП было выявление запасов и законов воспроизводства органического вещества, его качественного (фракционного) состава по всем природным зонам и в целом на планете, с тем, чтобы предотвратить возможные нарушения биологического равновесия в глобальном масштабе. Благодаря выполнению данной программы была решена актуальнейшая задача – выяснить максимально возможные нормы изъятия биомассы для нужд человечества.