Лекции для студентов

Курс лекций по “Общей экологии”. Часть 2

Моделирование экосистем

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 ХVIII — ХIХ веках. Так, Ю. Либих в 4 0-х годах 19 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 завоевывают признание только во второй половине ХХ века что связано прежде всего 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 и взаимодействующего с ней объектов окружающей среды; установлении совокупности внутренних связей и компонентов экосистемы, 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 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. В практике современных экологических исследований может использоваться сложнейшая трехуровневая система наблюдений. Например, контроль качества поверхностных вод и экологического состояния водоема с использованием космических аппаратов, аэрофотосъемок, автоматических самописцев и других дистанционных и инструментальных методов. Однако, несмотря на совершенствование технических средств натурных исследований, неоднократно предпринимавшиеся попытки объединения разных специалистов в лучшем случае завершается публикацией научного сборника, в котором независимо существуют статьи по ботанике зоологии, микробиологии, химии, гидрологии, метеорологии и другим дисциплинам и отсутствует междисциплинарный синтез. Прогресса натурные экологические исследования достигли в конце 70 годов ХХ века, с развитием стационаров международных программ, которые предусматривают всесторонние глобальные наблюдения характерных типов экосистем, исследования на специальных полигонах и их междисциплинарный синтез.

Эксперименты широко применяют в экологии и в других естественных науках. Отличие эксперимента от наблюдения состоит в том, что исследователь сознательно вносит определенные изменения в экосистему и 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.

Число возможных воздействий экспериментатора на экосистему необозримо, так же как число сознательно варьируемых факторов. Эксперименты делят 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 зафиксированных 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.

Меняя условия опыта, в лаборатории можно 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. Влияние тех же веществ на те же организмы и в тех же дозах в естественных условиях водоема будет отличаться от полученных в лабораторных условиях. Поэтому в экологии лабораторные эксперименты играют второстепенную роль.

В естественных условиях экспериментатор контролирует экологические факторы ограничено, так как динамика процессов зависит от многих факторов, в том числе от погодных, биологических и антропогенных. Несмотря на это эксперименты в природных условиях имеют огромное значение в экологических исследованиях, несмотря на то, что не может быть обеспечен высокий уровень контроля экспериментатора над всеми факторами внешней среды.

Непреднамеренные эксперименты, являясь следствием естественных процессов ил антропогенной деятельности, вносят немалый вклад познание природы. Непреднамеренные антропогенные эксперименты — это вся история развития цивилизации, в процессе которой человек постоянно экспериментирует с природой.

Значение натурного эксперимента в экологии чрезвычайно велико. Однако экологический эксперимент более эффективен в сочетании с моделированием.