Структура науки экологии

В настоящее время экология превратилась из частного раздела биологии, знакомого узкому кругу специалистов, в обширный и еще окончательно не сформировавшийся комплекс фундаментальных и прикладных дисциплин, который часто называют мегаэкологией, т.е. «большой экологией», или макроэкологией. Сейчас выделяют несколько разделов «большой экологии»:

Общая экология объединяет разнообразные экологические знания на едином научном фундаменте. Ее ядро – теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем, в том числе эколого-экономических и природно-хозяйственных систем.

Биологическая экология – основа экологии. Главные ее части:

1. Экология естественных биологических систем:

- особей как представителей определенных видов (аутоэкология);

- популяций (популяционная экология, или демэкология);

- многовидовых сообществ, биоценозов (синэкология), экологических систем (биогеоценология, учение об экосистемах).

2. Экология таксономических групп организмов — царств бактерий, грибов, растений, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов, отрядов и т. п.

3. Эволюционная экология — учение о роли экологических факторов в эволюции и о смене экологических условий в истории Земли.

Именно биоэкология на основе изучения роли потоков веществ, энергии и информации в жизни сообществ организмов изучает взаимодействие биологических структур с окружающей средой. Биологические структуры – разного уровня, от отдельной живой клетки до биосферы в целом.

Геоэкология – изучает взаимоотношения организмов и среды с точки зрения их географической принадлежности и влияния географических факторов. В нее входят:

1) экология обитателей разных сред (наземной, почвенной, пресноводной, морской, преобразованной человеком);

2) экология природно-климатических зон (тундры, тайги, степи, пустынь, тропических лесов и др.);

3) экология ландшафтов (речных долин, морских берегов, болот, островов, гор, коралловых рифов и т.п.);

4) экологическое описание различных географических областей, регионов, стран, континентов.

Экология человека и социальная экология – изучает взаимодействие человека с окружающей средой его жизни и хозяйственной деятельности – природной, техногенной, социально-экономической, культурной (по существу – изучает экологические ниши и потребности человека). Экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей его природной и социальной средой.

Глобальная экология (экосферология) – сформировалась на стыке биоэкологии и геохимии Земли, на основе изучения роли живых организмов в планетарной трансформации солнечной энергии и в круговороте химических элементов. Глобальная экология включает в себя учение о биосфере — глобальной экологической системе, и ее взаимодействию с техносферой.

Экология промышленности, экология сельского хозяйства, экология транспорта, промысловая экология– прикладные экологические дисциплины, занимающиеся решением и предотвращением экологических проблем в соответствующих отраслях человеческой деятельности.

Охрана природы – комплексная межотраслевая дисциплина, которая разрабатывает принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов, сохранения качества природной среды.

Охрана окружающей среды – комплексная межотраслевая дисциплина, которая разрабатывает принципы и методы обеспечения оптимального для здоровья и жизни человека состояния окружающей его среды – природной, техногенной, социально-экономической, культурной.

Основная практическая значимость экологии – осуществление научного контроля природопользования, в основе которого должны лежать законы экологии и экономики природы (не только природные биоресурсы, но и пространства территорий и акваторий, земля, вода, воздух, солнечный свет, агроресурсы, продукты недр – все что участвует в природных и антропогенных трансформациях энергии и круговоротах веществ.

Из приведенной структурной схемы составных частей экологической дисциплины следует:

1. Экология ≠ охрана окружающей среды (соотносятся как общая и частная – прикладная дисциплины).

2. Экология ≠ состояние окружающей среды (даже на бытовом уровне не стоит приписывать название большой науки категориям элементарной чистоплотности).

Экология не нужна для уборки улиц, аккуратной эксплуатации свалки, задержания браконьеров, хлорирования водопроводной воды или установки дымового фильтра на трубе – это организационные и технические проблемы.

Экология нужна на более раннем этапе – для обоснования технических условий и санитарно-гигиенических требований к процессам и устройствам (экологическое нормирование).

3. Охрана окружающей среды ≠ охрана природы. Охрана окружающей среды занимается сохранением окружающей среды, чтобы она всегда оставалась пригодной для жизни в ней самого человека, как биологического вида. Охрана природы занимается сохранением окружающей среды от деструктивной по отношению к ней деятельности человека.

В целом же, с экологической точки зрения, концепция охраны порочна с самого начала, так как деятельность следует строить таким образом, чтобы не допускать, предотвращать эффекты и результаты воздействия на природу и человека, от которых их потом приходится «охранять». Сохранить качество окружающей человека среды невозможно без участия природных экологических механизмов.

Проблемы экологии

Объем антропогенного воздействия на биосферу в 20-м веке приблизился к пределу ее устойчивости, а по некоторым параметрам его превзошёл, о чем свидетельствует:

- резкое сокращение площади ненарушенных экосистем, их деградация, необратимое количественное и качественное обеднение биосферы;

- потребление возобновимых природных ресурсов (вода, почва, биомасса растений и животных) достигло или превысило темпы их естественного прироста;

- химическая деформация среды как результат загрязнения отходами человеческого хозяйства, угроза здоровью людей;

- разомкнутость антропогенного круговорота веществ (отходы содержат много веществ и материалов, не утилизируемых в естественных круговоротах – ксенобиотиков);

- резкое сокращение запасов невозобновимых (минеральных и топливных) ресурсов.

В геологической истории земли и раньше происходили значительные изменения растительного покрова, ландшафтов суши, химического состава атмосферы и климата. Но никогда эти нарушения не происходили так быстро, что и означает наступление глобального экологического кризиса.

Природа отвечает на антропогенное давление часто непредвиденными изменениями, создающими экологическую опасность:

- антропогенное преобразование ландшафтов и их загрязнение имеют неконтролируемое последствие в виде зон экологического риска, экологических бедствий, экономических потерь;

- избирательное воздействие на отдельные виды микроорганизмов, растений, животных вызывает неконтролируемые цепные реакции нарушают устойчивость экосистем, ведут к их разрушению;

- мутации живых организмов под действием химического и радиационного загрязнения среды (повышенная устойчивость, адаптивность, иногда – опасные для человека свойства мутантов).

Человек оказался в ловушке противоречия между своей консервативной биологической природой и нарастающим его отчуждением от природы. С одной стороны – человек существо биологическое, приспособленное в процессе эволюции к определенным условиям среды, температурному режиму, смене дня и ночи, химическому составу атмосферы, воды, продуктов питания и т.д. С другой стороны, человек использует изобретенные им технологии и средство жизнеобеспечения, что позволяет ему в большой степени освободиться от давления естественного отбора и межвидовой конкуренции. Все это привело к огромному увеличению и продолжению роста численности людей, не связанному с повышением их биологического качества (рис. 1).

Для человека характерны совершенно немыслимые в природе:

- наследственные заболевания;

- наследственная предрасположенность к болезням;

- низкий иммунобиологический статус;

- возрастная хронизация болезней.

Проблемы экологии перерастают в проблемы здравоохранения.

Человечество приобрело черты цивилизации потребления, экономика ее поддерживается преимущественно за счет провокации большого числа вторичных, факультативных потребностей, удовлетворение которых ведет к избыточной технологической нагрузке на природу и окружающую человека среду.

Это положение очень наглядно иллюстрируется ростом энергопотребления человека параллельно с развитием человеческой цивилизации. На разных этапах развития человеческого общества расход энергии на 1 человека (ккал/сут) составлял:

- в каменном веке – 4 000 ккал/сутки (фактически это калорийность пищи физически работающего человека);

- в аграрном обществе – 12 000 ккал/сутки;

- в индустриальном обществе – 70 000 ккал/сутки;

- в передовых, экономически-развитых странах индустриального общества – 230 000 ккал/сутки – 250 000 ккал/сутки (в 60 раз больше, чем у наших предков).

Рис. 1. Зависимость между массой тела и численностью видов млекопитающих

Такое последовательное возрастание энергопотребления современного человека по сравнению с энергопотреблением каменного века объясняется вовлечением в производство пищевой продукции (4 000 ккал/сутки на одного человека) кроме мускульной силы самого человека (все те же 4 000 ккал/сутки на одного человека каменного века) энергетических затрат на производство сельскохозяйственной техники, топлива для этой техники, кормов, удобрений, пестицидов, применяемых в сельском хозяйстве.

В результате:

1) растет потребление энергии;

2) растет потребление природных ресурсов;

3) растет количество отходов;

4) следовательно – растет загрязнение окружающей среды.

Но при этом энергетические затраты на обеспечение пищевой потребности на 1 человека выросли в энергетическом выражении только в 10 раз:

- в каменном веке – 4 000 ккал/сутки;

- в современном сельском хозяйстве – 40 000 ккал/сутки.

Откуда же возникает разница по энергоемкости между пищевой потребностью человека и общими энергетическими затратами в нашем индустриальном обществе? С изменениями в сельскохозяйственном производстве изменились и стандарты удовлетворения других потребностей человека, появились новые, вторичные, факультативные потребности. С ростом производительности с/х труда высвободились рабочие руки и головы для удовлетворения других потребностей:

- в начале 19 века – 3% населения проживало в городе;

- в начале 20 века – 13.6% населения проживает в городе;

- 1990 г – 50 % живет в городах (сев Америка – 75%, Африка – 22%).

Потребности «нового» человека:

- новые требования к гигиене (СМС, концепция одноразовости);

- высокотехнологичные потребности (телевидение, компьютер, отдых технологии связи, транспорт, мода и т.д.).

Именно с удовлетворением этих вторичных, факультативных потребностей современного человека и связано резкое увеличение энергопотребления на одного человека в 60 раз в современных индустриально-развитых странах.

В результате еще более:

1) растет потребление энергии;

2) растет потребление природных ресурсов;

3) растет количество отходов;

4) еще более растет загрязнение окружающей среды.

Задачи экологии

Главная задача экологической науки – консолидация ее различных разделов и огромного фактического материала на единой теоретической платформе для создания системы реальных взаимоотношений природы и человеческого общества.

Решение главной экологической задачи связано с решением ряда научно-практических задач:

- диагностика состояния природы планеты, определение порога выносливости биосферы и степени обратимости ее изменений;

- прогнозирование регионального и глобального состояния окружающей среды при разных сценариях экономического и социального развития стран, регионов и человечества в целом;

- отказ от природопокорительской идеологии и создание новой, направленной на экологизацию экономики, производства, техники, политики, образования;

- формирование экологического мировоззрения, которое приведет масштабы и характер хозяйственной деятельности в соответствие с экологической выносливостью природы и предотвратят глобальный экологический кризис.

Методы экологии

Методическая основа современной экологии – сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования.

Системный подход присутствует во всех экологических исследованиях, так как любой объект экологии 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, напряженности физических полей, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п.

Экологический мониторинг — периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством среды. В настоящее время техника экологического мониторинга быстро развивается, используя новейшие методы физико-химического экспресс-анализа, дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных.

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, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей.

Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их число входят различные, подчас сложные и длительные наблюдения в природе, различные экспериментальные подходы, когда в лабораторных условиях регистрируется воздействие строго контролируемого фактора на те или иные функции растений или животных, а также анализируется применимость полученных на животных результатов к экологии человека.

Группу методов изучения взаимоотношений между организмами в многовидовых сообществах составляют натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения, опыты с переносом «меток», например радиоактивных изотопов, с помощью которых можно определить, сколько органического вещества и энергии переходит от одного звена пищевой Цепи к другому: от растений к травоядным животным, от травоядных к хищникам.

Методы математического моделирования. Потребность в них для целей управления и прогнозирования очень велика. В свое время были получены обобщенные аналитические модели многих экологических процессов. Но реальные объекты экологии столь сложны, что с трудом поддаются строгому математическому описанию даже при значительном упрощении задач. Поскольку в большинстве случаев речь идет о многоуровневых нелинейных задачах с большим числом переменных, аналитические решения практически невозможны, и на первое место выдвигаются численные методы имитационного моделирования, глобального моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники. Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития.

Однако в настоящее время количественная оценка процессов, происходящих в природе, ограничивается сложностью и многообразием этих процессов. В настоящее время математический расчет параметров и процессов, идущих в биосфере требует большего времени, чем весь период существования Земли как твердого тела. Потенциально-осуществимое разнообразие природы оценивается числами от 10¹⁰⁰⁰ до 10⁵⁰.

Лекция 2