1.2. История, предмет, основные подходы к изучению экологии

Термин «экология» в настоящее время приобрел широкое распространение и весьма широко к месту и не к месту цитируется всеми, начиная от специалистов и заканчивая хозяйственно-административными работниками. Поэтому хотелось бы немного остановиться на понятии «экология» и ее структуре.

Когда в 1869 г. Геккель употребил слово экология, обозначив им биологическую науку, изучающую взаимоотношения организма и окружающей среды, он, наверное, не подозревал о том, что через 100 с небольшим лет слово это, многократно повторенное газетами и журналами всего мира, станет своеобразным символом своего времени. Действительно, об экологии говорят абсолютно все, понимая под экологией в большинстве случаев любое взаимодействие человека и природы и ухудшение качества среды, вызванное его хозяйственной деятельностью. Можно соглашаться с таким пониманием экологии, а можно решительно его оспаривать. Но нельзя не признать, что совершенно независимо от популярности или непопулярности слова экология уже давно существует и развивается наука экология, имеющая собственные цели и объекты исследования.

Так что же такое экология? Существует несколько обозначений этого термина. К ним мы перейдем немного ниже.

Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает дом, а слово «логос» переводится как наука. Таким образом, изучение нашего природного дома охватывает изучение всех живущих в нем организмов и всех функциональных процессов, делающих этот дом пригодным для жизни.

Слово «экономика» тоже образовано от греческого корня «ойкос» и буквально означает искусство ведения домашнего хозяйства, следовательно, экология и экономика должны идти рука об руку. К сожалению, многие считают экологов и экономистов противниками с непримиримыми взглядами. Разногласия между ними возникают из-за того, что специалисты в области каждой из этих дисциплин слишком узко смотрят на свой предмет.

Экология приобрела практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидуум для того, чтобы выжить должен был иметь определенные знания об окружающей среде, т.е. о силах природы, растениях и животных. Можно сказать, что цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволяющие изменить ему среду своего обитания. Благодаря достижениям науки и техники мы вроде бы меньше зависим от природы в своих насущных потребностях и склонны забывать, что эта связь сохранилась.

В любых политико-экономических системах всегда большое значение придавалось вещам, изготовленным для нужд отдельного человека, но в то же время удивительно мало внимания уделяется тем благам и услугам, которые предоставляет нам сама природа. Мы принимает их как что-то само собой разумеющееся, и нам кажется, что они никогда не иссякнут или что их смогут заменить технические изобретения, хотя мы все больше и больше убеждаемся в обратном.

Цивилизация продолжает зависеть от среды, причем не только и не сколько от ее энергетических и материальных ресурсов, но и от ее жизненно важных процессов, таких как круговорот веществ и воды.

Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности населения и с грандиозным увеличением масштабов потребления энергии, расширившим возможности воздействия на окружающую среду, изменилось лишь относительное значение этих законов и усложнилось их воздействие на человека. И теперь сохранение цивилизации зависит от того, насколько мы знаем природу и от того, насколько разумно действуем, сохраняя и улучшая окружающую среду посредством гармоничного, а не разрушающего воздействия.

Рассмотрим некоторые аспекты исторического развития экологии. Подобно другим областям знания экология развивалась непрерывно, но неравномерно, на протяжении всего развития человечества. Труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера. Однако греки не пользовались термином «экология». Этот термин, как уже упоминалось, был предложен немецким ученым Эрнстом Геккелем. До него многие великие деятели биологического Возрождения 18–19 веков внесли вклад в эту область, не употребляя этого термина. Например, в начале 18 века Антон ван Левенгук, более известный как один из первых микроскопистов, был также пионером в изучении пищевых цепей и регуляции численности организмов, а по сочинениям английского ботаника Ричарда Бредли видно, что он имел четкое представление о биологической продуктивности. Изучение этих вопросов составляет важные направления современной экологии.

Как признанная самостоятельная научная дисциплина экология возникла в 1900 году, но ее название «экология» вошло в наш лексикон лишь в последнее время. Сначала исследователи проводили резкую грань между экологией растений и экологией животных, но концепция биологического сообщества и концепции пищевых цепей и круговорота веществ, разработанные Клементсом, Шелфордом, Линдерманом и Хатчинсоном, а также исследования озерных экосистем, проведенные Бирджем и Джудеем и многими другими авторами, помогли создать теоретическую базу общей экологии. В становлении теории общей экологии очень весомый вклад был внесен и отечественными исследователями, такими как Сукачев и Винберг: первый из них обосновал широко используемый во всем мире термин «биогеоценоз», а второй широко развил теорию биологической продуктивности и так называемое балансовое направление в изучении водоемов.

В последние 20–30 лет во всем мире развернулось движение, которое лучше всего назвать как всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды. Все вдруг заинтересовались загрязнением среды, окружающей природой, ростом народонаселения и вопросами потребления пищи и энергии. Рост общественного мнения оказал влияние и на академическую науку. Так, до 1979 г. на экологию смотрели как на один из подразделов биологии. Экологи входили в штат биологических факультетов, экологию преподавали лишь биологам. Хотя и сейчас экология уходит своими корнями в биологию, она уже вышла из ее рамок, оформившись в совершенно новую дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками. В некоторых крупных университетах мира введены даже междисциплинарные квалификационные степени по экологии.

Предмет экологии в отличие от других наук известен всем и каждому, поскольку большинство из нас предавалось созерцанию природы, следовательно, в той или в иной степени мы все экологи. Научная экология, однако, непроста, у нее есть свои сложности и тонкости.

Лучше всего можно определить содержание экологии исходя из принципов биологической иерархии. СООБЩЕСТВО, ПОПУЛЯЦИЯ, ОРГАНИЗМ, КЛЕТКА, ГЕН – вот основные уровни организации жизни. Теоретически этот спектр может быть продолжен до бесконечности. На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей средой возникают характерные функциональные системы. Экология занимается в основном тремя уровнями: отдельными особями (индивидуумами), популяциями (состоящими из особей одного вида) и сообществами (состоящими из более или менее обширного набора популяций, занимающими данный участок). Сообщество и неживая система функционируют совместно, образуя экологическую систему или экосистему. Сообществу и экосистеме соответствуют термины «биоценоз» и «биогеоценоз». Эти термины употребляются в основном в отечественной литературе. Существует еще и такой термин, как «биом», обозначающий крупную биосистему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой особенностью ландшафта, например, биом лиственных лесов умеренного пояса. Самая крупная система, которую мы знаем, – это биосфера или экосфера, она включает в себя все живые организмы Земли как единое целое. Поддерживает эту систему в состоянии устойчивого равновесия поток энергии от Солнца. Под термином устойчивого равновесия понимается способность саморегулирующей системы возвращаться в исходное состояние по крайней мере после небольшого отклонения.

Вернемся к уровням, которыми занимается экология.

Итак, отдельные особи. Занимаясь особями, экологи выясняют, как на них влияет абиотическая и биотическая среда и как они сами воздействуют на среду. Этот раздел экологии называется аутэкологией.

Занимаясь популяциями, эколог решает вопросы о наличии или отсутствии отдельных видов, об их обилии или редкости, об устойчивых изменениях и колебаниях численности популяций. Это – популяционная экология. При исследованиях на популяционном уровне возникают два методологических подхода. Первый исходит из основных свойств отдельных особей, а уж затем изыскиваются формы сочетания этих свойств, предопределяющие свойства и особенности популяции в целом. Второй обращается непосредственно к свойствам популяции как единого целого, пытаясь увязать их с особенностями среды.

Эти же два подхода целесообразны и при изучении экологии сообществ (синэкологии). Экология сообществ рассматривает состав или структуру сообществ, а также прохождение через сообщество энергии, биогенных элементов и других веществ. Все это называется функционированием сообществ. Эти вопросы можно пытаться понять, рассматривая входящие в сообщество популяции, которые в свою очередь состоят из отдельных организмов. Но можно и непосредственно изучать свойства всего сообщества, концентрируя внимание на таких характеристиках, как видовое разнообразие, скорость образования биомассы и т.д., то есть здесь пригодны оба подхода.

Вообще важнейшее свойство иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы у этих новых единиц возникают и новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такие качественно новые или как их называют эмержентные свойства экологического уровня нельзя предсказать исходя только из свойств компонентов популяций, составляющих этот уровень или единицу. Иначе говоря, каждый уровень биосистемы обладает собственными, присущими только ему свойствами, но еще обладает суммой свойств, входящих в него подсистем. Хорошо известный принцип несводимости свойства целого к сумме свойств его частей должен служить первой рабочей заповедью экологов.

Как известно, философия науки должна быть и стремилась всегда быть холистической, т.е. рассматривать явления в их целостности. В последние годы практика науки становится все более редукционисткой, пытаясь понять явления путем детального анализа все более мелких и мелких компонентов. На протяжении истории науки эти два подхода неоднократно сменяли друг друга, т.к. интенсификация исследований в одном направлении неизбежно приводит затем к переключению на другое направление.

И холистический, и редукционисткий подход следует использовать в равной мере, не противопоставляя друг другу. Новая наука экология, и в частности данная дисциплина, стремится к синтезу, а не к разделению. По-видимому, возрождение холистического подхода, по крайней мере, частично, связано с неприязнью общества к ученому – узкому специалисту, который не может переключиться на решение крупномасштабных проблем, требующих неотложного внимания.

В соответствии со сказанным мы будем обсуждать принципы экологии на системном уровне, будь то организм, популяция, сообщество или экосистема, уделяя в то же время внимание взаимодействию с такими подсистемами, как абиотические факторы среды, экономические и техногенные, а также такой надсистеме, как биосфера.

В последние десятилетия успехи техники позволили на количественном уровне изучать большие сложные системы. Метод меченых атомов, новые физико-химические методы, автоматический мониторинг, математическое моделирование, компьютерная техника послужили необходимыми для него инструментами.

На любой из систем экологической иерархии можно сделать две вещи:

1. Мы можем попытаться что-либо объяснить, либо понять. Такая попытка – это поиск истины в духе чисто научных традиций. Но чтобы понять, надо это описать. Описание тоже расширяет наши представления о живой природе. Самые ценные описания – это те, которые выполнены с прицелом на вполне определенную проблему, на потребность в понимании.

2. Мы можем предугадывать ход событий. Нередко экологи стараются даже предсказать, что при определенных обстоятельствах произойдет с теми или иными организмами или сообществами. На основе таких предсказаний мы пытаемся управлять теми или иными экологическими ситуациями и извлечь из них пользу.

Термин «предсказание» широко используется в математическом моделировании, которое со всеобщей компьютеризацией приобретает все большее значение. Итак, остановимся на методе математического моделирования как одного из основных при исследовании динамики различных систем. Упрощенные версии реального мира в науке называются моделями.

Модель – это абстрактное описание того или иного явления реального мира, позволяющее сделать предсказания. В своей простейшей форме модель может быть словесной или графической. Однако, если мы хотим получить достаточно надежные экологические прогнозы, то модель должна быть статистической и строго математической. Например, математическое выражение, описывающее изменение численности популяции насекомых и позволяющее предсказать эту численность в любой момент времени, можно считать с биологической точки зрения моделью полезной. А если это насекомое еще и вредитель, то эта модель полезна и с экономических позиций.

Модели, созданные на современных компьютерах, позволяют получать на выходе искомые характеристики при изменении параметров модели, добавлении новых или исключении старых. Иными словами, возможна так называемая настройка модели, позволяющая приблизить ее к реальной ситуации. Наконец, модели очень полезны как средства интеграции всего того, что известно о моделируемой структуре. Если модель не работает, т.е. плохо соответствует реальной ситуации, то необходимо пересмотреть посылки, положенные в ее основу, также необходимые изменения могут быть предсказаны компьютером.

Вопреки мнению многочисленных скептиков, с сомнением относящихся к моделированию сложной природы, можно утверждать, что информация даже об относительно небольшом числе переменных служит достаточной основой для построения эффективных моделей, поскольку каждое явление в значительной степени управляется или контролируется ключевыми эмержентными свойствами.

Стоит подчеркнуть, что экологов интересуют не только дикие или природные системы, но еще, кроме того, и сообщества, созданные человеком или подвергающиеся его влиянию (фруктовые сады, пшеничные поля, различные формы аквакультуры и т.д.). Более того, экологи часто изучают экспериментальные системы, физические и математические модели.

Итак, мы получили некоторые и весьма смутные представления об экологии как предмете, истории ее развития и структуре, а также системной экологии. Конечно трудно не будучи практическим биологом сразу охватить все это, но впоследствии шаг за шагом мы разберемся во всем более точно.

А теперь вернемся к терминологии и приведем некоторые множественные толкования экологии, каждое из которых верно. Основное, от которого произошло первоначальное понятие, а затем все более расширяющиеся.

1. Экология – часть биологии (биоэкология), изучающая отношение организмов, особей, популяций и сообществ между собой и окружающей средой.

Популяция – совокупность особей одного вида, в течение большого числа поколений, населяющих определенное пространство и скрещивающихся между собой, отделена от соседних аналогичных совокупностей.

Сообщество – система совместно живущих в пределах естественного объема пространства организмов.

2. Экология – дисциплина, изучающая общие законы экосистем различного иерархического уровня. Экосистема – любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое.

3. Экология – комплексная наука, исследующая среду обитания живых существ, включая человека.

С философской позиции:

4. Экология – область знаний, рассматривающая совокупность предметов и явлений с точки зрения субъекта или объекта, как правило, живого, принимаемого за центральный объект совокупности. Это может быть и промышленное предприятие.

5. Экология – исследование положения человека как вида и общества в экосфере планеты и его связи с экологическими системами и меры воздействия на них.

В настоящее время экология распалась на ряд научных отраслей и дисциплин очень далеких от первоначального понимания экологии как биологической науки об отношениях живых организмов с окружающей их средой, хотя в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биоэкологии (рис. 1.2).

Мы знаем уже, что экологию по размерам объектов изучения делят на аутэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция и ее среда) и синэкологию (биотическое общество, экосистемы и их среда). Кроме того, существуют еще понятия географическая или ландшафтная экология (крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их среда) и последнее понятие глобальная экология (мегаэкология – учение о биосфере Земли).

По отношению к предметам изучения экологию разделяют на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, сельскохозяйственную, промышленную (инженерную), общую экологию как теоретически обобщающую дисциплину.

По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, морскую, Крайнего Севера, высокогорий, химическую (геохимическую и биогеохимическую).

По подходам к предметам выделяют аналитическую и динамическую. С точки зрения фактора времени, рассматривают историческую и эволюционную.

В системе экологии человека выделяют социальную экологию (взаимоотношение социальных групп общества с их средой жизни), отличающуюся от экологии индивида и экологии человеческих популяций по функциональному пространственному уровню, равному синэкологии, но имеющему ту особенность, что сообщества людей в связи с их средой имеют доминанту социальной организации.

Рис. 1.2. Подразделения экологии