Методичка по Экологии

Каждому биогеоценозу присущи однородность структуры, состава компонентов, а также определенный характер материально – энергетического обмена между ними.

11

Рис. 2.3 Структурная схема геосистемы (А) и биогеоценоза (Б)

1 – абиотические компоненты; 2 – биота; 3 – взаимосвязи между компонентами. Термины «экосистема» и «биогеоценоз» – близки, но не являются синонимами.

Экологическая система – это любая совокупность организмов и окружающей их среды. Так, в качестве экосистемы можно рассматривать, например, горшок с цветком, террариум, фитотрон (станция или камера искусственного климата, полностью автоматизированная установка, в которой регулируются все основные факторы роста и развития растений по заданной программе), сооружения биоочистки сточных вод: аэротенки (биофильтры), пилотируемый космический корабль. У всех названных совокупностей организмов и среды отсутствует ряд признаков, приведенных в определении В.Н. Сукачева, и в первую очередь, элемент «гео» – Земля. Биогеоценозы – это природные образования. В то же время биогеоценоз может рассматриваться и как экосистема. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз». Любой биогеоценоз является экосистемой, но не всякая экосистема есть биогеоценоз.

Эквивалентным понятием биогеоценозу является геосистема (ландшафт, природно-территориальный комплекс) с той лишь разницей, что понятие биогеоценоза более биоцентрично: если в нем живые организмы являются его основой, а неживые компоненты – лишь средой, то в теории о географическом ландшафте все его компоненты (горные породы, грунты, воды, воздух и биоценоз) – равнозначны. (Рис.2.3.)

Каждая экосистема имеет определенную функциональную структуру (рис.2.4.). В нее входят компоненты абиотической и биотической среды. К абиотическим составляющим (совокупность неживых факторов среды) относят: горные породы, режим солнечной радиации, температуру, влажность, давление.

12

Взаимосвязь и взаимозависимость всех компонентов биогеоценоза (экосистемы) – это основная его особенность. Поскольку преобразующая антропогенная деятельность направлена прежде всего на биогеоценозы (экосистемы), человек прямо или косвенно влияет на эти связи и может существенно их нарушать.

Каждый человек должен помнить, что в процессе производства он влияет не на «природу» вообще, а на определенные «биогеоценозы». Человек не просто вырубает лес, а уничтожает биогеоценоз, не выбрасывает отходы производства в окружающую среду, а нарушает связи в биогеоценозах, изменяет не природу, а участок экосистемы.

Основной предмет исследований в экологии - взаимосвязи между живыми организмами, их группами разных рангов, живыми и неживыми компонентами экосистем, а также особенности влияния природных и антропогенных факторов на функционирование экосистем и биосферы в целом. Состояние и функционирование экосистемы зависит от динамики экологических факторов. В общем случае фактор – это движущая сила какоголибо процесса или влияющее на организм условие.

Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития , или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями

Таким образом, окружающая среда – это, фактически, набор воздействующих на организм экологических факторов.

Из многих существующих классификаций экологических факторов целесообразно использовать следующую (рис. 2.6.)

Экологические факторы

Рис. 2. 6 Состав экологических факторов

15

Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в 2 крупные категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы – биотические или биогенные. Но по своему происхождению обе группы могут быть, как природными, так и антропогенными, т. е., связанными с влиянием человека.

Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым – преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окружающей среды. Человек в своей деятельности не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, например, синтезируя новые химические соединения – ядохимикаты, удобрения, лекарства, синтетические материалы и др.

С целью определения задач современной экологии отметим, что в современном мире термин «экология» существенно трансформировался. Экология стала ориентироваться на человека, что связано с активизацией его деятельности и ростом масштабов влияния на окружающую среду. Человек еще мало знает об окружающей среде, в которой живет, особенно о механизмах самоохранения. Познание механизмов (закономерностей) – одна из важнейших задач современной экологии.

Исследование живой компоненты биосферы, познание всех процессов функционирования жизни является центральной задачей современной экологии.

Основными задачами современной экологии являются:

*изучение общего состояния биосферы (биологических систем всех уровней: ген, клетка, орган и т.д.), условий его формирования, причин и объемов изменений под влиянием разных природных и антропогенных факторов;

*прогнозирование динамики состояния экосистем и биосферы в целом во времени и пространстве;

*разработка с учетом основных экологических законов путей гармонизации взаимоотношений человеческого общества и Природы, сохранения способности биосферы к саморегуляции и самовосстановлению.

3. Основные методы экологии

Слово ―метод‖ обозначает путь исследования, учение. В широком смысле слова метод – это пути, способы и средства познания действительности, совокупности взаимосвязанных принципов и способов исследования процессов, явлений и предметов в природе и обществе.

Метод науки – это присущий ей способ проникновения в содержание предмета изучения. Если предмет науки отвечает на вопрос ―что изучается?‖, то метод – ―как изучается?‖.

16

Подбор конкретных способов исследования определятся методологией научного познания, представляющей собой учение о принципах построения, формах и способах научно-познавательной деятельности. Методология определяет принципиальный подход к изучению явлений хозяйственной жизни и является вопросом развития каждой науки.

Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, полевых наблюдений, эксперимента и моделирования.

*Системный подход пронизывает большинство экологических исследований, поскольку любой объект экологии представляет собой систему или часть системы в силу всеобщей связи элементов живой природы.

*Полевые наблюдения позволяют получить конкретные сведения о состоянии отдельных видов и популяций, их роли в существовании определѐнной экологической системы, о зависимости от деятельности определѐнных групп организмов, антропогенного влияния, об изменении численности популяций и т.д.

*Эксперименты в природных условиях дают возможность моделировать ту или иную ситуацию, последствия еѐ развития для конкретного сообщества организмов, биоценоза или биогеоценоза.

*Математическое моделирование процессов и ситуаций, встречающихся в популяциях и биоценозах с помощью вычислительной техники позволяет произвести :

*количественную оценку изучаемых процессов и явлений;

*с большой долей достоверности, используя накопленные данные, прогнозировать возможное развитие тех или иных процессов и ситуаций в экологических системах.

Метод математического моделирования как средство изучения и прогнозирования природных процессов в экологии получил широкое распространение. Это объясняется тем, что надорганизменные системы, изучаемые экологией – популяции, биоценозы, экосистемы – чрезвычайно сложны. В них наблюдается огромное количество взаимосвязей, прочность и постоянство которых постоянно меняются. Одни и те же внешние воздействия могут привести к различным, иногда противоположным результатам, в зависимости от того, в каком состоянии находилась система в момент воздействия.

Предвидеть ответные реакции системы на действия конкретных факторов можно лишь через сложный анализ существующих количественных отношений и закономерностей.

Однако, используя математические приѐмы, эколог должен помнить, что в связи с наличием у сложных экологических систем большого числа степеней свободы, а также параметров, зависящих от времени, к этим системам не могут применяться классические, жестко детерминированные алгоритмы управления

ипрогнозирования. Иными словами, математический расчѐт в экологии может

идолжен ориентировать при решении практических вопросов, но не может и не

17

должен предсказывать конкретные частности. Однако развитие количественных методов исследования, превращающих экологию в точную науку, является потребностью времени.

Одной из первых экологических моделей была модель Вольтерра-Лотки. В любом биоценозе происходит взаимодействие между всеми элементами : особи одного вида взаимодействуют с особями и своего вида, и других видов. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь связь вида ―хишникжертва‖. Было замечено, что численность хищных рыб колеблется в обратной пропорции относительно колебаний численности мелких рыбѐшек, которые служат им пищей. Анализ этих колебаний позволил математику Вито Вольтерра (1860 - 1940) вывести необходимые уравнения. Если бы в биоценозе было только два вида (очень большое упрощение), то даже и в этом случае динамика численности каждого из видов сильно отличалась бы от картины их независимого существования.

Кроме ситуаций ―хишник-жертва‖ и ―конкуренция-сосуществование‖ может моделироваться ситуация ―симбиоз‖. Модель симбиоза отражает кооперацию отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому (кооперация пчѐл, кооперация деревьев). Математические модели, настроенные на устойчивость такой системы, показывают, что при достаточно больших начальных значениях численности всегда будет происходить экспоненциальный рост популяций, что в определѐнных случаях соответствует действительности. Биосфера сформировалась по собственному плану без участия человека. Качественно новый этап в развитии биосферы начался с появлением человека в конце третичного периода. Сначала деятельность человека мало отличалась от деятельности других существ. Добывание огня выделило человека из ряда других животных. При этом человек не только сумел расселиться в районы холодного климата, пережить оледенения и защититься от хищников, но и научился уничтожать органические остатки, вмешиваясь в круговорот веществ в биосфере. Сейчас происходит интенсивная перестройка природы в результате человеческой деятельности. Перед человечеством вырисовывается угроза голода, самоотравления, разрушения биологической основы наследственности. Для предотвращения угрозы надо знать еѐ причины. В этих целях строились глобальные экологические модели.

Первой моделью прогнозирования расхода ресурсов была модель Т.Мальтуса (1798), который исходил из геометрического роста численности населения и арифметического роста средств существования. Последующий опыт проиллюстрировал упрощѐнность и ошибочность этого подхода.

Дж. Форрестер (1970) предложил динамическую мировую модель, учитывающую изменение численности населения, капитальных вложений; природных ресурсов, загрязнение среды, производство продуктов питания. Принятые в модели взаимосвязи достаточно сложны. Например, рост численности населения поставлен в зависимость от его плотности,

18

обеспеченности питанием, уровня загрязнения окружающей среды, наличия ресурсов, материального благосостояния; темп смертности увязан с уровнем жизни, питанием; загрязнение среды связано объѐмом фондов и т.д. Многофакторная модель Форрестера позволяет рассматривать динамику показателей состояния мировой системы в зависимости от варьирования различных факторов. Одним из результатов исследования Форрестера были графики расхода природных ресурсов при стабилизации численности населения, фондов и «качества» жизни.

Группа Д. Медоуза (1972) построила динамическую модель на базе пяти основных показателей: ускоряющаяся индустриализация, рост численности населения, увеличение числа недоедающих, истощение ресурсов, ухудшение окружающей среды. В модель заложен большой набор частных связей, в три раза больше, чем в модели Форрестера. Прогноз по модели Медоуза по различным вариантам показал, что вследствие исчерпания ресурсов и растущего загрязнения в середине XXI века произойдѐт мировая катастрофа. Единственным вариантом для еѐ исключения может быть стабилизация численности населения и увеличения объѐма промышленности, стимулирование капиталом развития сельского хозяйства.

Модель М. Месаровича и Э. Пестеля (1974)отличается размерностью и детальностью связей. В ней содержится более ста тысяч уравнений, описывающих мировую систему как совокупность региональных систем. Авторы выделили наиболее крупные страны (Россия, Китай, Вьетнам и др.) и регионы (Северная Америка, Западная Европа, Северная Африка и др.), 10 групп населения, 5 категорий машин, 2 разновидности сельскохозяйственного производства, 19 разновидностей промышленного капитала, 5 видов капитала в энергетике. На базе этой модели авторы рассмотрели различные сценарии развития мировой системы.

В Пенсильванском университете создана система совместного функционирования национальных моделей. Еѐ математическая часть состоит из более чем 20 тысяч уравнений.

Группой экспертов ООН под руководством В. Леонтьева в конце 70-х годов разработана межрегиональная модель межотраслевого баланса мировой экономики.

В конце тех же 70-х годов под руководством Н.Н. Моисеева была разработана математическая модель биосферы «ГЕЯ». Она состояла из двух взаимосвязанных систем. Первая описывала процессы, происходящие в атмосфере и океане. Вторая – круговорот веществ в природе. В еѐ основу положены такие локальные модели, как испарение с поверхности океана и конденсация воды в атмосфере, поглощение углекислоты морской водой, перенос энергии атмосферой, реакции фотосинтеза, отмирание растений, распределение биомассы на поверхности Земли и др. На базе модели «ГЕЯ» был выполнен расчѐт различных сценариев изменения климата на планете под воздействием ядерного взрыва, крупного пожара, извержения вулкана,

19

создания крупного локального топливно-энергетического комплекса, изменения горного ландшафта.

В первой половине 80-х годов учѐные различных стран создавали глобальные математические модели с целью прогнозирования последствий ядерной войны. Наиболее обширными были модель американского астронома К. Сагапа и модель «ГЕЯ». В значительной степени эти исследования стимулировали политические решения государств по сокращению ядерного вооружения.

Практически в построении математических моделей сложных процессов выделяются следующие этапы:

тщательное изучение тех реальных явлений, которые нужно смоделировать; выявление главных компонентов и установление законов, определяющих характер взаимодействия между ними; формулировка тех основных вопросов, ответы на которые должна дать модель;

разработка математической теории, описывающей изучаемые процессы с необходимой детальностью; на еѐ основе строится модель в виде системы абстрактных взаимодействий; установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму; конкретные модели могут быть представлены в виде логической схемы машинной программы;

проверка модели – расчѐт на основе модели и сличение результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.

Расчѐтные методы, в случае правильно построенной модели, помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте; позволяют производить такие процессы, наблюдение которых в природе потребовало бы огромных сил и больших промежутков времени.

В настоящее время моделируют различные по масштабам и характеру процессы, происходящие в реальной среде. Математическими моделями описываются и проверяются разные варианты динамики численности популяций, продукционные процессы в экосистемах, условия стабилизации сообществ, ход восстановления систем при разных типах нарушений. Строятся математические модели по регулированию промыслового усилия, модели промышленных популяций; модели трофических связей по решению проблемы с вредителями, модели эксплуатации лесного хозяйства, стратегические модели использования сырья, математические модели выбора способов производства, модель оптимизации платы за воду и другие.

Несомненна актуальность разработок глобальных математических моделей, в которые входили бы подсистемы взаимодействия между атмосферой и водой, атмосферой и поверхностью почвы, процессы в каждом из элементов окружающей среды, взаимодействие верхнего слоя атмосферы с космосом, механизмы саморегулирования в природе, влияние деятельности человека на окружающую среду. При значительном объѐме возможностей подобная модель

20