Натурные наблюдения и эксперименты

Признание экосистем предметом экологии и принцип эмерджентности неизбежно приводят к необходимости использовать в качестве методологической основы науки экологии системный анализ и междисциплинарный синтез явлений.

Системный анализ - это направление методологии науч­ного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объекта как системы.

Важные положения системного подхода были сформулирова­ны учеными еще в XVIII-XIX веках. Так, Ю. Либих в 40-х годах прошлого столетия писал: «Мы рассматриваем природу как одно целое, и все явления представляются нам взаимосвязанными, как узлы в сети. Исследовать явления - это значит отыскать те нити, посредством которых данный узел в сети связан с двумя или тремя другими».

Системные принципы исследований завоевывали признание только во второй половине XX века, с развитием инструменталь­ных и дистанционных методов наблюдений и вычислительной техники, давших возможность изучать природные и социальные сообщества как целостные системы на количественном уровне, а также с проникновением в биологию идей кибернетики.

Системный подход в экологии состоит в определении составных частей экосистемы; установлении совокупности внутренних связей; а также связей между экосистемой и средой за ее пределами, т. е. на входе и выходе системы; нахождении законов функ­ционирования и их изменений в результате внешних воздействий.

Для решения этих основных задач в арсенале современной экологии выделяют три главные группы методов: 1) натурные наблюдения; 2) эксперименты; 3) моделирование.

Натурные наблюдения в природе - исторически первый прием экологического исследования.

Эти исследования прошли длительный путь развития - от красоч­ных описаний картин природы до современных комплексных программ изучения экосистем с помощью новейшей аппаратуры и космических спутников. Вот, например, что писал в начале века Ш. Брэм (1901) о птицах: «Ни одно живое существо не живет такой полной жизнью, как птица, и не умеет так хорошо пользоваться своим временем. Самый длинный день кажется ей слишком коротким, самая короткая ночь - слишком длинною; вечно подвижная, она не проводит половины своей жизни в мечтаниях или во сне; она желает бодро, жизнерадостно, весе­ло проводить время, которое ей суждено прожить».

В практике же современных экологических исследований мо­жет использоваться сложнейшая трехуровневая система наблю­дений. На рис. 7.1, например, приведена схема контроля эко­логического состояния водоема с использованием космических аппаратов, аэрофотосъемок, автоматических самописцев и дру­гих дистанционных и инструментальных методов.

Однако, несмотря на совершенствование технических средств натурных исследований, попытки объединения разных специали­стов под флагом комплексных исследований (до последних пет не связанных общей теоретической и методологической концеп­цией) долгое время приносили скудные результаты из-за отсут­ствия системного анализа данных. В лучшем случае они завер­шались публикацией научного сборника, в котором независи­мо сосуществовали статьи по ботанике, зоологии, микробио­логии, химии, гидрологии, метеорологии и другим дисципли­нам, но отсутствовал междисциплинарный синтез.

Прогресса натурные экологические исследования достигли лишь в конце 70-х годов, с развитием международных программ, которые предусматривают всесторонние глобальные наблюдения за характерными типами экосистем, исследования на специальных полигонах и их междисциплинарный синтез.

Рис. 7.1. Схема трехуровневой системы наблюдений (по Б.П. Усанову, 1992): ЦПОД – центр подготовки и обработки данных

Эксперименты широко применяют в экологии, как и в других естественных науках. Отличие эксперимента от наблюде­ния состоит в том, что исследователь сознательно вносит опреде­ленные изменения в экосистему и далее следит за ее ответной реакцией. Например, слежение за перемещением стада оленей в естественных условиях с помощью вживленных в тело животных миниатюрных радиопередатчиков является не экспериментом, а всего лишь наблюдением. В то же время регистрация (даже без всякой аппаратуры) численности того же стада после введения искусственной подкормки будет экологическим экспериментом.

Обычно эксперименты делятся на лабораторные и полевые.

В лабораторных экспериментах можно обеспечить конт­роль большого числа факторов, исключив воздействие неконтроли­руемых.

Классической схемой проведения лабораторных опытов является однофакторный эксперимент, когда изучается влияние избран­ного фактора при фиксированных значениях всех остальных. Однако при изучении биологических объектов (в отличие от физических) однофакторный эксперимент малоэффективен, так как поведение биосистем зависит от комплекса факторов. Поэ­тому лишь многофакторные эксперименты с предварительным планированием могут дать удовлетворительные результаты в эко­логии.

Многие ученые справедливо поднимают вопрос о там, в какой степени выводы, полученные в лабораторных условиях, можно применить к реальным экосистемам; они считают, что экспериментатор, меняя условия опыта, в лаборатории может достичь заранее запрограммированного результата. Так, можно получить самые разные значения допустимых концентраций ток­сичных веществ в воде, если варьировать условия содержания организмов, на которых проводятся опыты; при этом влияние тех же веществ на те же организмы и в тех же дозах в естественных условиях водоема будет отличаться от их влияния в лаборатор­ных условиях. Поэтому в арсенале экологии лабораторные экс­перименты играют второстепенную роль.

В естественных полевых условиях возможности эксперимен­татора контролировать экологические факторы ограничены. На­пример, исследовать влияние режима работы гидроэлектростанции на гидрологию реки очень сложно, так как динамика процессов разворачивается на фоне погодных, биологических и антропо­генных влияний.

Но эксперименты в природных условиях имеют огромное значе­ние в экологических исследованиях, несмотря на то, что «в нату­ре» не может быть обеспечен высокий уровень контроля эксперимен­татора за всеми факторами внешней среды.

В качестве примера можно привести крупномасштабный уни­кальный эксперимент в природных условиях, осуществленный в Санкт-Петербурге в 1992 г. для оценки возможности управления эко­логическим состоянием Невской губы и восточной части Финского залива с помощью затворов водопропускных отверстий комплекса защитных сооружений (КЗС) города от наводнений (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Створ строительство (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений: В-1 - В-6 - водопропускные отверстия; Д-1 - Д-11 - дамбы; С-1, С-2 - судопропускные отверстия

Сама идея возможности разрушать малопроточные зоны в Невской губе, смещать потоки сточных вод, интенсифицировать процессы самоочищения и управлять экологическим состоянием водоема путем маневрирования затворами возникла еще на ста­дии проектирования. Однако проверка ее с помощью математичес­кого и гидравлического моделирования приводила к противоречи­вым результатам. Дать четкий ответ могли лишь натурные испытания. В эксперименте приняли участие 16 институтов и организаций. В программу исследований входили: гидрологические наблюдения; анализ качества воды по многим гидрохимическим и бактериоло­гическим показателям; гидробиологические и ихтиологические ис­следования; аэрокосмические наблюдения; наблюдения за распре­делением загрязняющих веществ от городских очистных станций с помощью трассеров; исследования химического состава и бактери­ологического загрязнения донных отложений и др.

Были задействованы все возможные технические средства: аэрофотосъемка, инструментальные методы для замеров гидрофи­зических характеристик, стационарные автоматические самопис­цы расходов воды и скоростей течения, современные методы химического анализа воды и донных отложений и новейшие способы оценки ее качества. Результаты исследований обрабаты­вались и анализировались с помощью компьютерной техники. Были проведены 2234 замера скоростей (самописцы работали более 2000 часов), отобраны более 1500 проб воды на 46 стан­циях и 360 проб донных отложений. Выполнено свыше 12000 раз­личных анализов, 6 аэрофотосъемок. Работы велись на 5 специ­ально оборудованных плавсредствах при различных регламентах перекрытия водопропусков. Проведенные исследования подтвер­дили наличие принципиальной возможности управлять экологи­ческим состоянием акватории путем маневрирования затворами водопропускных отверстий. При этом при необходимости можно подбирать схему и регламент перекрытия водопропусков, улуч­шающих экологическую ситуацию в той или иной части водной системы.

Непреднамеренные «эксперименты», которые явились следствием естественных процессов или деятельности человека, вносят немалый вклад в познание природы. Например, образование или исчезновение островов, заселение лавовых полей, потепле­ние и похолодание, изменение русел рек - «эксперименты», поставленные самой природой. Непреднамеренные антропогенные «эксперименты» - это вся история развития цивилизации.

Значение натурного эксперимента в экологии чрезвычайно велико. Однако экологический эксперимент наиболее эффекти­вен в сочетании с третьим важным методом - моделированием, который заслуживает специального рассмотрения.

Дата добавления: 2014-11-18