Основные методы экологии

Экология как самостоятельная наука имеет свои специфические методы исследований. Круг этих методов очень широк и разнообразен в зависимости от объектов исследований и поставленных задач. Понятно, что нельзя исследовать популяцию мух такими же методами, как популяцию слонов. Тем не менее, все экологические методы можно разделить на ряд основных групп.

Методологические подходы экологии, как и любой науки, можно подразделить на редукционистские и холистические.

В первую очередь – это описательные методы, которые являлись первыми методами экологических исследований. В их основе лежит наблюдение за состоянием и поведением тех или иных организмов или их популяций в естественных условиях и соотнесение их с изменениями различных факторов внешней среды.

К ним относятся определения динамики численности, биомассы, размерно-возрастной структуры популяций, сезонных и многолетних циклов размножения, миграций и т.п. с параллельным получением данных о состоянии окружающей среды.

В результате бурного развития техники эти методы претерпели значительное развитие – от простого наблюдения с использованием простейших технических средств (бинокль, кольцевание птиц и т.п.) до сложнейших систем дистанционного слежения с применением электронных и компьютерных технологий. В их числе – датчики, устанавливаемые на птицах, морских млекопитающих и пр., снимки и космоса.

В особую группу методов выделился экологический мониторинг, или постоянное слежение за состоянием определенных объектов или целых природных комплексов с целью предупреждения о создающихся критических ситуациях.

Экспериментальные методы предполагают непосредственное изучение влияния изменения отдельных экологических факторов на организмы или популяции. Основоположником экспериментального метода в науке является великий итальянский физик Галилео Галилей, который впервые провел знаменитый эксперимент по определению скоростей движения шарообразных тел разной массы по наклонной плоскости.

Экспериментальный метод включает ряд обязательных компонентов:

1. Постановка задачи; 2. Создание экспериментальной установки с регистрирующей аппаратурой; 3. Проведение эксперимента; 4. Математическая обработка результатов; 5. Формулировка выявленных закономерностей.

В большинстве экспериментов выделяются контроль и опыт. Впервые четкое понятие о контроле и опыте ввел французский физик и философ Блез Паскаль. Значение одного или нескольких факторов в опыте отличаются от таковых в контроле. Другие факторы остаются достаточно постоянными или изменяются в одинаковой степени в контроле и опыте. Поэтому если в опыте выявлены достоверные (по сравнению с контролем) изменения определенных параметров организма или популяции, их можно с определенной долей уверенности приписать воздействию этого фактора.

Если в эксперименте изменяется один фактор, он называется однофакторным, если два или более – многофакторным.

Эксперименты делятся на лабораторные, которые проводятся в достаточно контролируемых лабораторных условиях, и полевые, выполняемые в менее контролируемых естественных условиях. Оба эти типа экспериментов имеют свои достоинства и недостатки. Выводы, полученные в лабораторных экспериментах, часто лишь с осторожностью можно переносить на естественные условия. С другой стороны, в полевых экспериментах труднее четко выделить влияние изменений отдельных факторов на отдельных особей и популяций.

В связи с развитием техники дистанционного наблюдения за живыми организмами описательные методы все более сближаются с методами полевых экспериментов. Поэтому большинство современных полевых исследований по существу представляет собой неорганизованный эксперимент.

С 1930 годов начали бурно развиваться методы математического моделирования экологических процессов. Первой известной моделью, получившей всеобщее признание, стала модель «хищник – жертва» физиков Лотки и Вольтерра.

Модель Лотки – Вольтерра объясняла имеющиеся эмпирические данные. Целый ряд последующих моделей также ставили целью объяснить реальные процессы в популяциях и экологических системах. Особенно выделялись среди них модели, описывающие потоки вещества и энергии в различных экосистемах.

Однако многие современные моделей часто анализируют гипотетические ситуации, которые даже не имеют места в природе. Поэтому существует определенная опасность в отрыве методов математического моделирования от реального развития экологии.

Сахаровский университет

ЛЕКЦИЯ 2

Основы теории систем

Одним из основных объектов изучения экологии являются экологические системы. Поэтому, прежде всего, необходимо уяснить, что такое система в широком смысле этого термина. Основоположником общей теории систем является канадский математик и биолог австрийского происхождения Людвиг фон Берталанфи. В 1951 г. он дал первое очень широкое определение системы:

«Система – это любое множество элементов любой материальной природы, которые находятся в определенных отношениях друг к другу».

Очевидно, однако, что под такое определение подпадает любая совокупность материальных объектов. С этой точки зрения системами можно считать и всю Вселенную и любую случайную совокупность предметов, например, кучу мусора или груду камней.

Взаимодействие само по себе также не определяет свойства совокупности как системы. Например, каждый камень в груде камней. Взаимодействует с другими, поскольку он давит на другие камни, а они – на него

Поэтому впоследствие понятие системы было конкретизировано. Оно стало связываться не с бесцельным или хаотическим взаимодействием некоего набора случайных элементов, а с реализацией через это взаимодействие определенной функции.

Система – это совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединенных в единое целое выполнением некоторой общей задачи, несводимой к функциям её компонентов.

Таким образом, система образована определенными элементами, имеющими различные свойства. Каждый элемент в системе рассматривается как единое целое, его внутренние свойства для функционирования системы значения не имеют.

Любая система е может состоять из абсолютно одинаковых элементов. Более того, разнообразие составляющих ее элементов является одним из важнейших условий ее существования (принцип необходимого разнообразия). Нижний предел разнообразия равен двум, верхний – стремится к бесконечности.

Элементы находятся между собой в определенных отношениях, или взаимодействиях, называемых связями. Совокупность элементов и связей называется структурой системы.

Свойства системы не являются простой суммой свойств отдельных элементов, а имеют качественное отличие. Так, груда камней системой не является, поскольку ее свойства не отличаются существенным образом от суммы свойств отдельных составляющих ее камней. Например, общий вес груды камней равен сумме весов всех ее камней. Комплект деталей для часов до их сборки также не является системой, однако собранные из деталей часы приобретают качественно иное свойство – показывать время, которым не обладает в отдельности ни одна из деталей.

Отсюда свойства системы не являются cуммарными, или аддитивными (от англ. to add – складывать) по отношению к сумме свойств ее элементов. Возникновение в результате взаимодействия элементов системе ее принципиально новых свойств называется эмерджентностью (от англ. to emerge –– появляться).

По своему строению системы делятся на простые и сложные. Сложность определяется не столько числом элементов в системе, сколько разветвленностью структуры и разнообразием внутренних связей. Простые системы поддаются элементарному описанию во всех деталях, а сложные можно описать лишь приблизительно. Поэтому простыми системами являются и оконный шпингалет, состоящий из двух деталей, и сложный электронный прибор, для которого имеется схема.

Примерами сложных систем являются современные суперЭВМ, в программном обеспечении которых заложена способность к самообучению и решению простейших логических задач, например, шахматные компьютеры

Системы делятся также на детерминированные и вероятностные. К детерминированным относятся преимущественно простые системы, в которых элементы однозначно взаимодействуют определенным образом. Поведение такой системы в будущем можно однозначно прогнозировать. Например, если включить лампу, то загорится свет, но не зазвучит музыка.

К вероятностным относятся системы, элементы которых связаны таким большим количеством взаимодействий, что их поведение бывает прогнозировать очень трудно. Отнесение системы к детерминированным и вероятностным не всегда определяется сложностью их устройства. Например, телевизор является детерминированной системой простой системой, а рулетка в казино - вероятностной.

Все биологические и экологические системы являются сложными и вероятностными.

Сложным системам, особенно биологическим, присуща самоорганизация, или развитие особого взаимодействия между их элементами, направленное на оптимизацию системы. Одним из важнейших признаков самоорганизации является увеличение степени обособленности системы от окружающей среды. При этом состояние системы превращается из хаотического все более организованное и упорядоченное.

Важнейшей предпосылкой самоорганизации является обратная связь, или петля управления, означающая влияние выходного сигнала системы на ее рабочие параметры. Обратную связь модно схематично представить в виде:

X →→ УОС → → Х₁

↑ ↓

Х₃ ↓

↑ ↓

ЭС← Х₂ ← УУ

где Х – входной сигнал (влияние среды), поступающий на устройство обратной связи (УОС), Х₁ – выходной сигнал, преобразованный на УОС и передаваемый на управляющее устройство (УУ), Х₂ – сигнал, преобразованный на УУ и передаваемый элементам системы (ЭС), заставляющий их функционировать определенным образом, Х₃ – сигнал, передаваемый от элементов системы на устройство обратной связи.

Обратные связи бывают положительными и отрицательными. Отрицательная обратная связь уменьшает влияние входного воздействия на величину выходного сигнала. Она способствует восстановлению и поддержанию исходного состояния системы. Ее примером в технических системах являются терморегуляторы в кондиционерах, которые поддерживают постоянную температуру в помещении.

Положительная обратная связь увеличивает влияние входного воздействия на величину выходного сигнала. Она уводит систему все дальше от исходного состояния, нередко действуя по принципу “порочного круга”.

Ее примером является история взаимоотношений человека и природы.

В механизмах регуляции всех экологических систем преобладают отрицательные обратные связи. При этом в них отсутствуют четко выраженные управляющие устройства, подобные ядру в клетке и нервной системе у животных. Тем не менее, эти механизмы весьма эффективны.

Например, особи в популяциях мышей при недостатке пищи или повышении плотности (что часто взаимосвязано) перестают размножаться. Это обусловлено тем, что условия скученности вызывают у мышей состояние стресса. В этих условиях кора надпочечников у самок выделяет особый гормон, который препятствует овуляции яйцеклеток. В результате естественной смертности особей численность популяции снижается до определенного минимума, которой может прокормить среда. При этом популяция как система сохраняется, поскольку выжившие особи начнут размножаться при наступлении благоприятных условий.

Таким образом, в экологических системах устройства обратной связи и управления не являются структурированными, а образованы совокупностью связей между отдельными их элементами и элементами и средой. Такой тип регуляции называется стохастическим. Для него характерна лаг-фаза, или фаза запаздывания.

Возвратимся к примеру с мышами. Даже при достижении критической плотности, при котором яйцеклетки не будут образовываться, часть самок в популяции уже имеет оплодотворенные яйцеклетки, из которых затем образуются эмбрионы. Эти самки будут рождать детенышей, что приведет к дальнейшему росту численности популяции. Очевидно, длительность периода роста численности за пределами критической плотности равна длительности эмбрионального развития детенышей. Этот период и называется фазой запаздывания.

Подобная фаза имеет место и в обратном случае. Когда плотность популяции становится ниже критической, рост ее численности наблюдается не сразу, а лишь после того, как у самок сформируются яйцеклетки и закончится эмбриональное развитие детенышей, т.е. после лаг-фазы.

Наука, изучающая общие закономерности управления и регуляции систем, называется кибернетикой. Ее основателем является американский математик Норберт Винер, создавший в 1945 г. первую ЭВМ.

Наука, изучающая закономерности самоорганизации сложных систем в направлении от хаоса к упорядочненности, называется синергетикой. Этот термин предложил в 1960 гг. германский ученый Г. Хакен.

Системы обладают свойством иерархии. Практически каждую систему можно рассматривать как элемент другой системы более высокого ранга. В биологических системах можно выделить следующие уровни организации:

Сообщества + абиотические компоненты → экосистемы

Популяции

Организмы

Органы

Клетки

Гены

Органические макромолекулы

Экосистемы образуют самую крупную известную человеку экологическую и биологическую систему – Биосферу Земли.

Экология изучает те системы, которые занимают верхнюю половину этой иерархической лестницы – от организма и до Биосферы. Некоторые специалисты выделяют в особый раздел экологии – цитоэкологию, или науку, изучающую поведение отдельных клеток. К ним относятся прежде всего клетки, отличающиеся достаточной автономностью, например, форменные элементы кровы (эритроциты и др.), клетки иммунной системы (лимфоциты и др.), половые клетки. При их изучении наряду с чисто цитологическими показателями используются отдельные экологические показатели – численность, размерная структура, длительность жизни и др.

Экологические системы занимают особое место в иерархии природных систем. Через Биосферу, которая является элементом геологической системы планеты Земля, они связаны с космическими системами. Через такой биологический вид, как человек, они связаны с социальными системами.

Иерархию социальных систем можно упрощенно представить в виде:

Человечество

Нация (этнос)

Социальная группа

Семья

Индивидуум

Границы человечества сейчас уже вышли за пределы Биосферы, в Космос.

Дата добавления: 2014-01-07