Лекции / Лекция 1. Введение предмет и задачи дисциплины Экология. Структура современной экологии

Рис. 2. Законы термодинамики: А=Б+В – первый закон термодинамики;

В < А – второй закон термодинамики.

Мерой необратимого рассеивания энергии является энтропия (греч. эн

- внутрь, тропе - превращение). Последнюю можно характеризовать и через степень упорядоченности системы. Так, живые организмы и нормально функционирующие экосистемы характеризуются высокой степенью упорядоченности слагающих их элементов. Они сохраняют (поддерживают)

определенный уровень энергии и тем самым противостоят энтропии.

Мертвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью элементов (структур), в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой (температура его тела выравнивается с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды). Это значит,

что организм как система приходит в состояние полной неупорядоченности,

максимальной энтропии. Показатель, противоположный энтропии, носит название негэнтропии. Чем выше организованность системы

(упорядоченность), тем значительнее ее негэнтропия. Опасно любое вмешательство в систему, которое ведет к снижению ее негэнтропии, а

следовательно, устойчивости и способности противостоять внешним возмущениям.

Основным свойством нормально функционирующих природных экосистем является способность извлекать негэнтропию из внешней среды (солнечную энергию) и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность.

Деятельность человека, если она превышает определенные пределы,

ведет к снижению негэнтропии систем, а следовательно, уменьшает их способность поддерживать себя в устойчивом состоянии вплоть до перехода к полной неупорядоченности (максимальной энтропии) и гибели.

Задачи и методы экологии.

Задачи экологии меняются в зависимости от изучаемого уровня организации живой материи. Популяционная экология исследует закономерности динамики численности и структуры популяций, а также процессы взаимодействий (конкуренция, хищничество) между популяциями разных видов. В задачи экологии сообществ (биоценологии) входит изучение закономерностей организации различных сообществ, или биоценозов, их структуры и функционирования (круговорот веществ и трансформация энергии в цепях питания).

Из множества определений предмета экологии вытекает и множество

задач, стоящих перед современной экологией:

–изучение структуры пространственно-временных объединений организмов (популяций, сообществ, экосистем, биосферы).

–изучение круговорота веществ и потоков энергии в надорганизменных системах.

–изучение закономерностей функционирования экосистем и биосферы

вцелом.

–изучение реакции надорганизменных систем на воздействие разнообразных экологических факторов.

–моделирование биологических явлений для экологического прогнозирования.

–создание теоретической основы охраны природы.

–научное обоснование производственных и социально-экономических программ.

Главная же теоретическая и практическая задача экологии —

раскрыть общие закономерности организации жизни и на этой основе разработать принципы рационального использования природных ресурсов в условиях все возрастающего влияния человека на биосферу.

Задачи экологии как учебной дисциплины в техническом вузе гораздо уже. В процессе профессиональной деятельности будущий специалист инженер неизбежно будет влиять на окружающую среду и живущие в ней живые организмы. Следовательно, от того, насколько он понимает и владеет законами природы и ее структурой, будет зависеть устранение негативных последствий производства, в котором он работает.

Таким образом, задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства или проектно-конструкторского предприятия могут быть следующие:

1)Оптимизация технологических, и конструкторских решений, исходя из минимального ущерба окружающей среде.

2)Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий на окружающую среду.

3)Своевременное выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде.

4)Создание систем переработки отходов промышленности.

Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и

экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать

влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования.

Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также метод математического моделирования. Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности.

Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами.

Основные законы экологии Коммонера.

Видный американский эколог Барри Коммонер в 1971 году сформулировал четырех принципа получившие название «основные законы экологии», которые являются фундаментальными принципами современной прикладной экологии и рационального природопользования.

1 закон: «Все связано со всем». Любое изменение, совершаемые человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило неблагоприятных. По сути дела, это одна из формулировок принципа

единства Вселенной. Надежды на то, что какие-то наши действия, особенно в сфере современного производства, не вызовут серьезных последствий, если мы проведем ряд экозащитных мероприятий, во многом утопичны. Это способно лишь несколько успокоить ранимую психику современного обывателя, отодвигая в будущее более серьезные изменения в природе. Так мы удлиняем трубы наших ТЭЦ, считая, что при этом вредные вещества более равномерно рассеются в атмосфере и не приведут к серьезным отравлениям среди окрестного населения. И действительно, кислотные дожди, вызванные повышенной концентрацией в атмосфере соединений серы, могут пройти совсем в другом месте и даже в другой стране. Но нашим домом является вся планета. Рано или поздно мы столкнемся с ситуацией,

когда длина трубы уже не будет играть существенной роли.

2 закон: «Все должно куда-то деваться». Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде "экологического бумеранга".

Предыдущий пример является ярким подтверждением этому. Планета стала слишком тесной для нас. Она уже не справляется с силой антропогенного воздействия на нее. Любое наше вмешательство в природу возвращается к нам повышенными проблемами. На фоне этого рождаются различные

“смелые” проекты утилизации наших отходов, особенно радиоактивных, в

космосе, на других планетах, предлагают даже отправлять их на Солнце. К

счастью у этих проектов имеется огромное количество оппонентов. Потому что второй закон Коммонера никто не отменял. Мы пока еще даже не представляем, какими могут конкретные механизмы “экологического бумеранга” в случае попытки “загрязнить Солнце”. Но лучше даже не пытаться.

3 закон: «Природа знает лучше». Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах,

а на адаптацию к ней. Это одна из формулировок принципа оптимальности. В

совокупности с принципом единства Вселенной он приводит к тому, что Вселенная в целом предстает как единый живой организм. То же можно

сказать и о системах более низких иерархических уровней, таких как планета, биосфера, экосистема, многоклеточное существо и т.п. Любые попытки внести изменения в отлаженный организм природы, чреваты нарушением прямых и обратных связей, посредством которых реализуется оптимальность внутренней структуры данного организма. Деятельность человека только тогда будет оправдана, когда мотивация наших поступков будет определяться в первую очередь той ролью, для выполнения которой мы были созданы природой, когда потребности природы будут иметь для нас большее значение, чем личные нужды, когда мы будем в состоянии во многом безропотно ограничить себя во благо процветания планеты.

4 закон: «Ничего не дается даром». Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков. Вопрос об охране природы очень сложен. Ни одно наше воздействие на природу не проходит бесследно, даже если выполнены,

казалось бы, все требования экологической чистоты. Хотя бы потому, что развитие экозащитных технологий требует высококачественных источников энергии, и высококачественные исполняемые законы. Даже если сама энергетика перестанет загрязнять атмосферу и гидросферу вредными веществами, все равно остается нерешенным вопрос теплового загрязнения.

Согласно второму закону термодинамики, любая порция энергии, претерпев ряд превращений, рано или поздно перейдет в тепло. Пока еще мы не в силах состязаться с Солнцем по количеству поставляемой на Землю энергии, но наши силы растут. Мы горим желанием открыть новые источники энергии.

Как правило, мы высвобождаем энергию, накопленную когда-то разными формами вещества. Это гораздо дешевле, чем улавливать рассеянную энергию Солнца, но напрямую ведет к нарушению теплового баланса планеты. Не случайно средняя температура в городах на 2-3 (а иногда и больше) градуса выше, чем за пределами города в той же местности. Рано или поздно этот “бумеранг” к нам вернется.

Поэтому должен измениться сам подход к понятию экологической чистоты. Тем не менее, любые вложения средств в охрану природы должны приветствоваться. Под лежачий камень вода не течет. Пусть методом проб и ошибок, но мы должны найти способы гармоничного интегрирования своего производства с биосферой планеты. И на первый план в мотивации человека должно выйти не получение наибольшей прибыли с меньшими затратами, а

гармоничность производства. Где определяющую роль будет играть не рост личного дохода разработчика или производителя, а чистота их совести,

степень осознания их ответственности перед природой.

Структура экологии

В «Экологии» обычно выделяют несколько взаимосвязанных разделов,

которые иногда рассматривают как отдельные дисциплины (табл. 1).

Таблица 1