Экология как наука. Развитие экологии

Экология как наука. Развитие экологии

Экология в настоящее время стала популярной. К сожалению, в нашей стране слово "экология" с лёгкой руки непрофессионалов широко употребляется для обозначения всех форм взаимоотношений человека с окружающей средой, в том числе им же созданной. Во многих случаях слово "экология" используется как слово-паразит, для придания речи наукообразия.

Часто науку экологию и окружающую среду рассматривают как синонимы и связывают с проблемами взаимоотношений человеческого сообщества и природы. И если происходит, например, загрязнение окружающей среды, говорят о "плохой экологии", подразумевая, вероятно, что есть ещё и "хорошая экология". Однако экология - это наука, и как любая наука она не может быть плохой или хорошей. Всякое непрофессиональное использование понятия экологии в конечном счёте приведёт и уже приводит к размыванию её как науки, которая, как и всякая наука, имеет свой специфический предмет, метод и цель исследования.

История экологии, в том числе и в России, интересна и во многом поучительна. Термин "экология" (ecos, или oikos, - жилище, местопребывание; logos - наука; греч.) был впервые предложен Эрнстом Геккелем в 1866 г. во "Всеобщей морфологии организмов". Этот термин в русской научной литературе был впервые воспроизведён И.И. Мечниковым уже в 1869 г.

Развитие экологии в России связано с именами выдающихся российских биологов: А.Ф. Миддендорфа, К.Ф. Рулье, Н.А. Северцова, Д.Н. Кашкарова, В.Н. Сукачёва, Л.Г. Раменского, А.Н. Формозова, Г.А. Новикова, С.С. Шварца, В.Е. Соколова, И.А. Шилова, В.Н. Большакова, Н.Ф. Реймерса, В.Р. Дольника, В.С. Ивлева, Г.Г. Винберга, А.М. Гилярова, Н.П. Наумова и др. Важнейший вклад в экологию был сделан В.Н. Вернадским. Научной основой глобальной экологии послужил его труд "Биосфера", вышедший в свет в 1926 г. В нём были развиты представления о планетарной геохимической роли живого вещества.

Экологи сразу же воспользовались идеями В.Н. Вернадского. В 1928 г. В.Н. Беклемишев выдвинул концепцию геомериды, в которой всё живое вещество биосферы рассматривалось как некоторое системное единство. Позже, в 1942 г., В.Н. Сукачёв предложил понятие биогеоценоз, рассматривая его как термодинамическую систему. Многими российскими экологами биогеоценоз рассматривается как синоним экосистемы. Этот термин нередко применяют в географии для определения элементарного ландшафта. Если географы исследуют территорию с существующим на ней биогеоценозом, а геохимики - движение химических элементов на этом пространстве, то экологи исследуют весь комплекс процессов и явлений, внутренние взаимодействия компонентов, совокупность прямых и обратных связей.

В двадцатые-сороковые годы прошлого века экология становится количественной наукой. После работ американского биофизика А. Лотки и итальянского математика В. Вольтерра появляются первые математические модели экологических явлений, среди которых особое место занимает модель конкурентного вытеснения Лотки-Вольтерра.

Эти идеи нашли благоприятную почву в России. Г.Ф. Гаузе изложил принципы конкурентного исключения, провёл первые экспериментальные исследования взаимоотношения видов. В начале 30-х гг. В.С. Ивлев, широко используя экспериментальные и математические методы, создал концепцию трофологии, разработал балансовый подход к изучению роста и развития животных и к исследованиям экосистем. Основные идеи балансового подхода были сформулированы Л.Л. Россолимо. В.С. Ивлев рассматривал исследование баланса веществ и энергии в изучении водоёмов как мощное орудие для решения теоретических задач и практических целей. В.В. Станчинский развил представления о трофических уровнях и "пирамиде энергии". Были заложены основы экосистемного подхода в экологии.

Замечательные успехи в изучении трансформации энергии и превращения веществ в озёрных экосистемах были достигнуты на Косинской лимнологической станции под Москвой. Здесь в 1932 г. начинает свои, ставшие потом классическими, работы по оценке первичной продукции в водоёмах Г.Г. Винберг. Применённый им метод "тёмных и светлых склянок" стал классическим и до сих пор активно используется при исследованиях первичной продукции водоёмов. Именно в это время было положено начало продукционной гидробиологии, активно развиваемой ныне в нашей стране.

Для работ, развивавших экосистемный подход в экологии, характерен высокий уровень эмпиризма, описание и количественные оценки изучаемых процессов на уровне особи, популяции, сообщества и экосистемы. Выявленные закономерности всегда выражаются как определённые количественные соотношения. В 1942 г. Р. Линдеман (США) предложил "трофодинамический аспект экологии". Опираясь на теоретические построения и экспериментальные данные, в том числе и полученные В.С. Ивлевым, Р. Линдеман описал закон "пирамиды энергий" (впервые понятие о "пирамиде энергий" было предложено указанным выше В.В. Станчинским в 1931 г.) и рассчитал, что при переходе энергии с одного трофического уровня на другой экологическая эффективность составляет примерно 10%. Около 90% от ассимилированной организмами энергии рассеивается (диссипируется) в виде тепловой энергии. Это впоследствии было убедительно подтверждено разными исследователями и вошло в историю как "правило 10%".

Можно сказать, что к середине прошлого века в нашей стране были созданы предпосылки к широкому изучению водных и наземных экосистем. Однако поступательное развитие экологии в СССР было заторможено сначала Второй мировой войной, а затем августовской 1948 г. сессией Сельскохозяйственной академии, в результате которой победили антинаучные взгляды Т.Д. Лысенко. Подверглось нападкам учение о биосфере В.Н. Вернадского. Взгляды таких экологов, как Д.Н. Кашкаров, Г.Ф. Гаузе, А.Н. Формозов, Г.Г. Винберг, В.С. Ивлев и др., были публично осуждены.

Некомпетентное вмешательство в биологию и естествознание в целом нанесло огромный ущерб практически всей российской биологии, в том числе и экологии. Эти потери прошлых лет проявляются и сегодня, в том числе в навязываемых общественности околонаучных толкованиях экологии и разного масштаба экологических кризисов.

Примерно с середины 60-х гг. прошлого века в нашей стране вместе с начинающимся подъёмом биологии продолжает развиваться и экология. Общепризнанно, что в развитие отечественной экологии большой вклад внесли гидробиологи (гидроэкологи).

Большие успехи в изучении наземных и водных экосистем были достигнуты в рамках Международной биологической программы (МБП, 1964-1974 гг.). Ведущая роль гидробиологических исследований в нашей стране, выполненных в рамкам МБП по руководством Г.Г. Винберга, была признана мировым научным сообществом. В результате многочисленных и трудных экспериментальных и полевых исследований было, например, показано, что скорости роста, питания, метаболизма, размножения животных, как и скорости увеличения численности в их популяциях, связаны с массой организмов. Эти зависимости могут быть описаны степенными уравнениями, параметры которых имеют вполне определённые и биологически значимые величины.

Всё это позволило предложить выделение функциональной экологии животных (Алимов, 1981), которая на основе аутэкологических исследований количественно оценивает значение популяций организмов в процессах биологической продуктивности, превращения веществ и трансформации энергии в экосистемах. Выявлены важнейшие закономерности потоков вещества и энергии через популяции, сообщества организмов и экосистемы водоёмов разного типа. Установлены общие закономерности структуры и функционирования сообществ организмов, предложен структурно-функциональный подход к изучению экосистем, рассчитаны биотические балансы экосистем разных по типу, географическому положению и продуктивности водоёмов. Исследованиями А.М. Гилярова, его учеников и последователей были решены многие трудные вопросы популяционной экологии (Гиляров, 1990). Школой продукционной гидробиологии, руководимой автором статьи, продолжаются исследования водных экосистем.

Заметное место в исследованиях российских экологов всегда отводилось проблемам охраны природы. Наиболее передовые из них отстаивали научный подход к окружающей среде, обосновали необходимость использования результатов фундаментальной науки для рациональной эксплуатации природных биологических ресурсов. В связи с этим важное место занимает оценка взаимоотношений человеческого общества и природы, особенно уже потому, что современное потребление людьми продукции биосферы, по данным В.Г. Горшкова (1990), достигло 7% от чистой первичной продукции суши, и это привело уже к нарушению биохимического круговорота в биосфере.

На рубеже ХХ и ХХI вв. экология в России получила широкое толкование. Как отмечал А.В. Яблоков (1985), в 70-е г. ХХ в. возникло не менее 50 различных "экологий": глобальная, медицинская, моря, суши, атмосферы, почвы, города, культуры и т.д. Одни считают экологию частью биологии, другие - комплексной или синтетической наукой, третьи - дисциплиной, изучающей общие закономерности функционирования экосистем, четвёртые - общенаучной областью знания. Заметим, что не бывает комплексных или синтетических наук.

К сожалению, в нашей стране понятие "экология" становится всё более неопределённым. Эту неопределённость оправдывают так называемым <широким> пониманием экологии, неоправданно выделяя, например, "биоэкологию" или "геоэкологию". Последняя понимается одновременно и как географическая и как геологическая наука. При этом первую часто смешивают с ландшафтоведением (географическая наука), а при выделении второй не принимают во внимание, что преобразующая деятельность организмов на Земле превосходит таковую в результате геологических процессов. Скорость изменения химического состава окружающей среды в результате жизнедеятельности организмов на четыре порядка выше, чем скорость его изменения в результате геологических процессов. Масса всех биогенных элементов, необходимых для развития растений, вовлечённых в биохимические реакции за время существования жизни на Земле, на много порядков превосходит их запас в земной коре и мантии.

Наиболее значимы и наиболее опасны воздействия людей на биологические системы. Эти воздействия могут быть грамотно оценены в рамках экологии как биологической науки. Развитие экологии в России, как и во всём мире, полностью подтверждает именно такое понимание экологии. Важно отметить, что, например, В.И. Вернадский и В.Н. Сукачёв подчёркивали ведущую роль живых организмов в общих биогеохимических процессах. Пятый Международный экологический конгресс (1990) определил экологию как науку биологическую. Показательно, что, например, в обстоятельной сводке (учебном пособии) Г.С. Розенберга с соавторами (1999) из приведённых более чем 60 определений экологии практически все рассматривают её как науку биологическую.

Экология занимает вполне определённое место в системе биологических наук, изучающих разные организационные уровни биологических систем.

Всё сказанное даёт основание определить экологию как фундаментальную биологическую науку, исследующую системы надорганизменного уровня, их структуру и функционирование в пространстве и времени в естественных и изменяемых человеком условиях. Такое понимание экологии позволяет сохранить её как науку, отличая от наук об окружающей среде. Экология, опираясь на весь комплекс биологических и смежных наук, создаёт фундаментальную научную базу для гармоничного сочетания возрастающего воздействия человеческого общества с законами природы, управляющими биосферой.

Методологической основой современных экологических исследований служит системный подход, ориентированный на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих её механизмов, на выявление многообразных связей сложного объекта и сведения их в единую теоретическую картину. При этом система, и экологическая система в том числе, понимается как совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определённую целостность, единство. Она характеризуется также непрерывным единством с окружающей средой, во взаимодействии с которой система и проявляет свою целостность. Выявление системного характера объекта исследований требует разложения его на составные части с установлением их свойств, а для определения сущности объекта, как некой организации, необходим синтез этих частей в единое целое.

Важное свойство системы - это её структура, при рассмотрении которой следует учитывать совокупность связей, обеспечивающих целостность системы. Так, например, популяция представляет собой локализованную в пространстве и динамичную во времени систему особей одного вида. В популяциях различают размерную, возрастную, половую структуры. В сообществах организмов или биоценозах, которые можно рассматривать как локализованные в пространстве и динамичные во времени системы популяций разных видов, кроме того, различают и трофическую структуру.

Главный объект исследований экологии - экосистемы. Большинство экологов рассматривают экосистему как локализованную в пространстве и динамичную во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества различных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующей систему взаимообусловленных биотических и абиотических процессов. В результате взаимодействия организмов между собой и окружающим их средой внутри экосистемы организуются потоки вещества, энергии и информации. Экосистема может быть представлена как разнообразие видов плюс взаимосвязь потоков вещества и энергии и информации, последние рассматриваются как организующие и регулирующие (Bayers, Odum, 1993). Динамическое взаимодействие потоков вещества, энергии и информации, обеспечивающее стабильность экосистемы во времени в конкретных условиях среды, и есть её функционирование. Разработка теории функционирования экосистем - одна из важнейших задач современной экологии. Обращено внимание на необходимость и возможность разработки теории функционирования экосистем (Алимов, 2000).

Существование экосистемы, как открытой по энергии системы, возможно лишь при условии постоянного поступления извне энергии, способной совершать работу. Это может быть солнечная энергия, либо энергия, высвобождающаяся при химических реакциях, либо энергия, эквивалентная количеству поступающих в экосистему различного рода органических веществ, содержащихся, например, во вносимых загрязнителях или других веществах. Органическое вещество внутри экосистемы (первичная продукция) создаётся организмами-продуцентами в процессах фотосинтеза растений или хемосинтеза бактерий. В дальнейшем созданное в экосистеме органическое вещество и органические вещества, поступающие в неё извне (аллохтонные), совершают превращения в процессах круговорота веществ и трансформации энергии в экосистеме.

Процессы биологического круговорота веществ и трансформации энергии в экосистемах организуются в результате жизнедеятельности живых организмов, различных взаимоотношений между организмами, главным образом через их трофические связи. Так в экосистемах образуются многочисленные трофические цепи и сложноразветвлённые трофические сети.

Энергия, запасённая в первичном органическом веществе или в аллохтонных органических веществах, в процессе потребления одних организмов другими трансформируется в экосистеме, в том числе рассеиваясь в виде тепловой энергии в результате обменных процессов, протекающих в живых организмах. Органические вещества и эквивалентная им энергия, которые не были потреблены или усвоены организмами консументами (потребителями), преобразуются редуцентами (микроорганизмами) и становятся доступными для потребления их консументами. Энергия поступает на каждый трофический уровень и покидает его. Так в экосистеме образуется поток энергии, который рассматривается как одно из её фундаментальных свойств.

Энергетический принцип изучения биотического круговорота веществ отражает фундаментальное положение о том, что энергия, в отличие от вещества, в цепи трофических (пищевых) превращений не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Без этих переносов и превращений энергии не было бы жизни на Земле.

Количество производимой организмами энергии может быть определено расчётным путём, приняв во внимание, что в процессе дыхания организмы рассеивают энергию, эквивалентную количеству потреблённого ими кислорода или деструкции соответствующего количества органических веществ. Задача такого расчёта облегчается тем, что установлена зависимость между количеством потреблённого кислорода, или скоростью обмена (R), у разных видов животных с массой их тела (W):

R = aWb

При этом в целом для животного мира b > 0,75.

В то же время для отдельных групп животных рассчитаны конкретные параметры приведённого уравнения. Количественно выражены поправки величин этих параметров, которые учитывают их изменения при изменениях отдельных факторов среды, например такого важнейшего, как температура.

Изучая разнообразные явления в экосистемах, исследователи встречаются с различными, в ряде случаев противоположно направленными, процессами, совокупность и общий итог которых выражают в виде различного рода балансов. Особое место в экосистеме занимает баланс органических веществ, которые могут синтезироваться в самой экосистеме. Он охватывает широкий круг разнородных и сложных биотических процессов, с ним связаны балансы биогенных и многих других элементов. Балансовый подход стал одним из способов исследования функционирования экосистем, например водных.

Выявление закономерностей биотического круговорота веществ и трансформации энергии в экосистемах облегчается тем, что биомасса организмов, скорости её построения (продукция) и разрушения (деструкция) могут быть выражены в единицах энергии или иных эквивалентных единицах, отнесённых к конкретному моменту или отрезку времени. Этому же способствует использование установленных количественных закономерностей роста, размножения, метаболизма, питания животных и влияния факторов среды на эти процессы, которые исследует экологическая физиология организмов.

Экосистема поддерживает свою целостность благодаря многообразным взаимосвязям между её компонентами, реализуемым через потоки энергии, вещества и информации. Количество таких потоков, даже если ориентироваться на те из них, по которым имеется количественная информация, достаточно велико.

В конкретных условиях среды складываются конкретные по структуре и функциям сообщества организмов и экологические системы. Экосистема остаётся стабильной, пока на неё с неизменной силой воздействуют конкретные по качеству факторы среды. Она характеризуется величинами структурных и функциональных характеристик, которые находятся между собой в тесной зависимости. Из данных рисунка видно, что увеличение продукции (полезной энергии, P), сопровождаемое снижением производимой энергии (R), возможно лишь при упрощении структуры системы. Это обычно и используется в хозяйственной деятельности людей, например в сельском хозяйстве или рыбном хозяйстве, микробиологической промышленности и т.п.

Для получения высоких величин продукции водоёмов или полей хозяйственная деятельность людей направлена на упрощение сообществ животных или растений, доводя их при необходимости до монокультуры. Сокращаются трофические цепи, вводятся виды с высокой эффективностью роста, создаётся простая структура экосистемы, уменьшаются потери энергии. Аналогично - загрязнение, эвтрофикация, ацидофикация, токсические воздействия на экосистемы в первую очередь приводят к изменениям их структуры в сторону упрощения. Поддержание системы в таком, далёком от природного, состоянии возможно только за счёт постоянного притока в систему дополнительной энергии. Это следует постоянно иметь в виду при планировании хозяйственных мероприятий и уметь рассчитывать усилия, необходимые для достижения желаемого результата.

Такие усилия, учитывая низкие КПД экосистем, могут быть весьма значительными и оказаться экономически невыгодными. Однако чаще всего расчёты таких усилий не производятся, но при этом принимаются хозяйственно значимые решения, неоправданно высокая стоимость которых выясняется только при их реализации. Изменения структурных, а за ними и функциональных характеристик озёрных и прудовых экосистем были положены в основу метода "биоманипулирования", который применяется, например, для предотвращения их эвтрофирования. Этот метод основан на положениях теории трофического каскада (Carpenter et al., 1985), являющегося составной частью теории биологической продуктивности. Ослабление пресса хищников в системе 'хищник-фитофаг-растение' позволяет фитофагам достичь большой численности и биомассы, что приводит к снижению количества первичных продуцентов и предотвращает массовое развитие водорослей. Это направление воздействия на экосистемы получило широкое распространение на Западе, ему посвящена масса литературы. Сказанное демонстрирует, каким образом результаты фундаментальных исследований возможно и необходимо применять для решения прикладных задач.

Человек как биологический вид занимает вполне определённое место в экосистемах и биосфере в целом. Популяции людей входят в состав экосистем. Они так же потребляют продуцируемые экосистемами органические вещества, создают вполне определённую биомассу, пропорционально которой окисляют органические вещества в процессах метаболизма. Часть органических веществ, выделяемых в окружающую среду в виде фекальных масс и метаболитов, вовлекаются в общие процессы круговорота веществ и трансформации энергии в экосистемах. Следует выделить экологию человека, задача которой - изучение структуры и функционирования человеческих популяций.

Потребление пищи на одного человека в среднем составляет около 2500 ккал/сутки или 120 Вт/сутки (Горшков, 1990; Горшков, Кондратьев, 1990). Приняв численность людей на Земле равной 5·10⁹ человек, нетрудно определить, что общая мощность пищевого потребления людей не превышает 6·10¹¹ Вт, что составляет примерно 0,6% от мощности фотосинтеза на Земле.

Однако люди используют дополнительные источники энергии. В результате технического прогресса человечество стало мощным фактором, активно воздействующим на окружающую среду и преобразующим её. Поэтому следует выделить раздел экологии - социо-экологию, которая, используя общие законы экологии, занимается количественной оценкой взаимодействия человеческого сообщества (социума) с природными экосистемами.

В западной литературе, в отличие от российской, различают экологию как фундаментальную биологическую науку и науки об окружающей среде (environment-окружающая среда, англ.) или "энвайронментологию". Смешение понятий "экология" и "энвайронментология" (природоведение) явилось причиной низкой эффективности экологического образования в России. Не случайно экологическое движение конца 80-х гг. формировалось в основном как эмоциональный всплеск "экологистов" (по определению Н.Ф. Реймерса, 1990;:). А при организации специализированной службы охраны окружающей среды её кадры комплектовались преимущественно из непрофессионалов и тех же "экологистов" (Розенберг и др., 1999, с.13). Произошла девальвация самой специальности эколога, и таких 'специалистов', называемых экологами, стали готовить почти во всех учебных заведениях. В то время как экологов, возможно, и следует готовить на биологических факультетах, а не в технических институтах или на кратких курсах, что, к сожалению, принимает у нас неоправданно широкий масштаб.

Необходимо направленно готовить энвайронментологов, природоведов - специалистов по охране окружающей среды. В их задачи входят проблемы охраны и рационального использования природных и искусственных экосистем. Они, применяя фундаментальные знания по экологии, должны уметь рассчитывать ожидаемые нагрузки на экосистемы, определять такие режимы эксплуатации экосистем, которые могут обеспечить их неистощительное использование.

Это трудная профессия. Она требует хорошего экологического образования, умения применять знания разных наук, самые современные методы, в том числе методы математического моделирования биологических и экологических систем.

Литература

1. Алимов А.Ф. Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург, д.б.н., академик РАН.

2. "Спасение" /всероссийская экологическая газета/- 19.06.2002