Современная концепция экологии, экологические системы и их структура

О проблемах экологии заговорили в 1970-е годы нашего века, когда почувствовали возрастающую угрозу техногенной цивилизации. Изменился и взгляд на предмет экологии. Экология долгое время оставалась чисто биологической дисциплиной. Сегодня вышла из узких рамок и стала междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает Ю. Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей их средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определенного вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная система − с окружающей средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества систем и взаимодействуют с неживыми факторами среды.

На популяционном уровне, различают сообщества, или экологические системы, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются в связи с неорганическими условиями существования (почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т.п.). Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает живое и неживое вещество на планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном итоге может существовать и развиваться только за счет энергии Солнца и является открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. Теперь обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей.

Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии, или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня: на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения; на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.

Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

• продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ;

• фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

• сапротрофы, которые получают энергию путем разложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв между этими процессами может происходить и во времени, причем значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива.

Взаимодействия между частями и целым в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей.

Отсюда каждый из методов следует применять в зависимости от конкретных условий исследования, а следовательно, они предполагают и дополняют друг друга. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы. Моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться в словесной форме с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические модели. Важной целью моделирования является предсказание поведения системы в разных условиях и в разные периоды времени, поэтому в экологии стали прибегать к построению математических моделей. В том числе и на основе компьюторных технологий.