4. Методи вивчення біорізноманітності. Вимірювання біологічної різноманітності

• Розповідь учителя з елементами бесіди

Запитання до учнів:

— Скільки всього видів існує у світі?

Будь-яка стратегія збереження біологічної різноманітності потребує чіткого розуміння того, скільки всього існує видів і як ці види розподілені. На сьогодні описано 1,5 млн видів. Щонайменше вдвічі більше число видів залишається неописаним, це переважно комахи та інші тропічні членистоногі. Знання про кількість видів неточні, оскільки багато малопомітних тварин ще не потрапили в поле зору систематиків. Наприклад, важкими для вивчення є маленькі павуки, нематоди, ґрунтові гриби й комахи, що живуть у кронах дерев тропічного лісу.

А). Польові методи

Польові методи мають першорядне значення. Вони передбачають вивчення популяцій та угруповань у природному середовищі (у природі) й дозволяють установити вплив на об’єкт комплексу факторів, вивчити загальну картину розвитку й життєдіяльності досліджуваного об’єкта.

Як приклад можна навести ліси на схилах різних експозицій, на різних ґрунтах, у різних географічних широтах або водні екосистеми на різній глибині в одному й тому самому морі, на одній глибині у південних і північних морях. Усі вони, незважаючи на відмінності, розвиваються за одними законами, під впливом комплексу факторів, але значення цих факторів різні й залежать від місця розташування об’єкта досліджень.

Однак у польових дослідженнях дуже складно виявити роль одного фактора — як біотичного (конкуренції, алелопатії, родючості ґрунтів), так і абіотичного (тепла, вологи, світла, засолення, кислотності ґрунтів), тим більше, що всі фактори функціонально пов’язані один з одним.

Досліджувати роль конкретного фактора можна при постановці експерименту в польових або лабораторних умовах.

Б). Експериментальні методи дослідження

Експериментальні методи відрізняються від польових тим, що організми штучно поміщають в умови, при яких можна дозувати розмір досліджуваного фактора, а отже, можна точніше, ніж при звичайному спостереженні, оцінити його вплив. При цьому висновки, отримані в лабораторії, потребують обов’язкової перевірки в польових умовах.

Як приклади екологічних експериментів можна навести дослідження функцій лісозахисних смуг, вивчення освітлення насаджень, впливу різних доз добрив, унесених під сільськогосподарські культури, тощо. Широко відомий метод вивчення конкурентних взаємозв’язків дерев у лісі шляхом обмеження певної площі (площі живлення).

Велике значення при проведенні екологічних досліджень мають хімічні й фізіологічні методи, оскільки вони дозволяють виявити роль різних компонентів екосистем, у першу чергу найголовнішого — фітоценозу, в акумуляції й перетворенні речовини та енергії. Хімічні методи дають змогу з’ясувати особливості накопичення хімічних елементів у рослинах і в цілому в угрупованнях, особливості кругообігу живлення. За допомогою фізіологічних методів у польових умовах можна простежити фізіологічні процеси (фотосинтез і транспірація).

Оскільки всі біосистеми здатні до саморегуляції, тобто до відновлення екологічної рівноваги, а закони їхнього розвитку мають причинно-наслідковий зв’язок, то в екологічних дослідженнях значного поширення набули математичні методи (математична статистика, методи теорії інформації й кібернетики, теорії чисел, диференціальні й інтегральні обчислення тощо) і на основі цих методів — моделювання.

В). Моделювання біологічних явищ

Моделювання біологічних явищ, тобто відтворення в штучних системах процесів, властивих живій природі, набуло значного поширення в сучасній екології.

Моделі поділяють на реальні (аналогові) та знакові.

Приклади аналогових моделей. Акваріуми та океанаріуми — моделі різних водойм, теплиці — моделі екосистем відповідних природних зон.

Знакові моделі являють собою відтворення оригіналу за допомогою математичних виразів або докладного опису, їх поділяють на концептуальні й математичні. Перші можуть бути подані у вигляді тексту, схем, наукових таблиць, графіків тощо, а другі — формул, рівнянь. Математичні моделі, особливо за наявності кількісних характеристик, є більш ефективним методом вивчення екосистем. Математичні символи дозволяють стисло описати складні екосистеми, а рівняння дають можливість формально виразити взаємозв’язки різних компонентів екосистем.

Приклад найпростішого диференціального рівняння, що описує зростання популяції якого-небудь виду на якій-небудь стадії її розвитку (Радкевич, 1997):

, де x — щільність популяції в момент часу t, r — швидкість зростання в період часу, що відповідає rt.

Розв’язанням цього рівняння є функція: .

Процес переведення фізичних або біологічних уявлень про будь-яку екосистему в математичні формули та операції над ними називають системним аналізом. У сучасній екології реальні й знакові моделі використовуються паралельно, доповнюючи одна одну. За відсутності реальних моделей математичний підхід стає абстрактним, а без математичного підходу буває важко зрозуміти сутність реальної моделі.

Г). Екологічний моніторинг

Екологічний моніторинг — один з головних методів вивчення динаміки екосистем (біогеоценозів), що відбувається під впливом природних та антропогенних факторів. Під моніторингом мають на увазі спеціальне тривале спостереження за станом одних і тих самих екосистем. Такі дослідження пов’язані зі значними затратами часу й зусиль, оскільки передбачають детальний опис та вивчення всіх компонентів, з яких складається біогеоценоз, і тому можливі лише при організації стаціонарних робіт із закладкою як тимчасових, так і постійних пробних площ. Моніторинг рослинного покриву слід проводити на різних рівнях згідно з хорологічною (просторовою) диференціацією біосферних систем. За допомогою однієї пробної площі розміром 1 га проводити моніторинг рослинного покриву неможливо. Для рівнинного геоботанічного району (заповідника) необхідно закласти не менше ніж 10–12 постійних пробних площ розміром 1 га, а для гірського району — не менше ніж 30–40.