Предмет и направления экологии

2.4 Методы экологических исследований

С развитием  экосистемной и популяционной экологии более отчетливо стала вырисовываться специфика методов современной экологической науки. Основной инструмент экологического поиска представляют методы количественного анализа. Надорганизменные объединения (популяции, сообщества, экосистемы) управляются преимущественно количественными соотношениями особей, видов, энергетических потоков. Количественные изменения в структуре популяций и экосистем могут в корне переменить способы их функционирования, результаты деятельности. Развитие количественных методов исследования превращает экологию в точную науку, дает основы для математического моделирования, делает возможным научный прогноз. Это особенно важно для оценки устойчивости и продуктивности популяций и экосистем.

Методическую  основу экологии как современной  науки составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экологическая практика охватывает собой множество приемов и методов исследований, адекватных многообразию направлений экологии, некоторые из них перечислены ниже:

• систематические мониторинговые наблюдения за состоянием природных объектов и изменениями, происходящими в них под влиянием техногенных факторов;
• исследования морфологических параметров природных объектов;
• статистические методы оценки процессов и явлений;
• дистанционные методы исследований;
• методы математического моделирования;
• системный анализ.

3.Учение  о биосфере

3.1. Учение  о биосфере 

Учение  о биосфере Земли – одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений  современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.

Землю нередко сравнивают с космическим  кораблем, а человека – с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной нам части Вселенной, только одна Земля – планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них  является биосфера – область существования  «живого вещества» – совокупности живых организмов.

Колыбель  Ноmо sapiens, основа его физического и духовного развития, источник всех природных ресурсов – все это биосфера. И в познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека.

Величие В. И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.

Владимир  Иванович Вернадский (1863-1945 гг.) – крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по проблеме биосферы сложились в начале текущего столетия: он излагал их в лекциях в Париже. В 1925 г. появилась статья В. И. Вернадского «Ход жизни в биосфере», а в 1926 г. вышла книга «Биосфера». Затем различные стороны учения В. И. Вернадский неоднократно рассматривал в статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти, мо Рассмотрим некоторые самые основные положения учения В. И. Вернадского о биосфере.

В основе учения лежит представление о  планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного превращения  вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.

Прежде  всего, В. И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.

Биосфера (греч. «биос» – жизнь; «сфера» – шар) – оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.

Будучи  человеком щепетильным в вопросах научной этики, В. И. Вернадский неоднократно повторял, что термин «биосфера» принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века употребил французский биолог Ж.-Б. Ламарк, разработавший первую эволюционную концепцию. Определенный геологический смысл в 1875 г. вложил в термин «биосфера» австрийский ученый Э. Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создал В. И. Вернадский.

Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер –  гидросферы, литосферы, атмосферы.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и  искусственными водоемами.

Литосфера, или земная кора, представляет собой  внешнюю твердую оболочку земного  шара мощностью в несколько десятков километров

Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит  из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.

Биосфера  имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые представляют собой уменьшенную модель биосферы. Сама же биосфера – глобальная экологическая  система.

Совокупность  живых организмов, населяющих биосферу, В. И. Вернадский называет живым веществом. Красной нитью в учении проходит мысль о том, что живое вещество – «функция биосферы», а биосфера – результат развития живого вещества.

В любой  экосистеме живое вещество представлено тремя группами организмов:

1) автотрофы  (продуценты) – самопитающиеся (от греч. «трофе» – питаюсь, «аутос» – сам, от лат. «продуцентис» – производящий).

2) гетеротрофы  (консументы) – питающиеся другими существами (от греч. «гетерос» – другой; от лат. «консумо» – потребляю).

Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Бывают консументы более высоких порядков, причем некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням.

3) миксотрофы (редуценты) – разлагающие живые вещества (от греч. «миксис» – смешение; от лат. «редукцио» – возврат).

Суммарная масса (биомасса) живых организмов оценивается  примерно в 2,4 · 10¹² т.

Кроме живого вещества Вернадский различал еще 3 категории веществ, т.е. всего 4: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество – то, что возникло из живого (каменный уголь, нефть, торф, мел); 3) биокосное вещество – преобразованная организмами неорганика (почва, осадочные породы); 4) косное вещество – все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).

В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм). Среды жизни в пределах биосферы населены монобионтами (обитателями одной среды), дибионтами (обитателями двух сред) и полибионтами (живущими в трех или четырех средах).

Процессы, протекающие в экосистеме (число  живых организмов, скорость их развития и т. п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь  молекулами живых клеток, преобразуется  в энергию Создаваемые таким  образом (например, при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них – к плотоядным животным первого порядка, затем второго и т. д. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.химических связей.

3.2 Процесс развития биосферы 

Важнейшей частью учения Вернадского являются представления о ее возникновении

и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной

эволюции  в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических

факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными

бактериями. Однако созидательная и преобразующая  роль живого вещества стала

осуществляться  лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих  автотрофов –

цианобактерий и сине-зеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих

водорослей  и наземных растений (эукариотов), что  имело решающее значение для

формирования  современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к

накоплению  в биосфере свободного кислорода, что  рассматривается как один из

важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и  прежде всего – животные. Главными

датами  их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу

третичного  периода) и, наконец, появления человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть

сформулированы следующим образом:

1.           Вначале сформировалась литосфера  – предвестник окружающей среды,

а затем  после появления жизни на суше – биосфера.

2.           В течение всей геологической  истории Земли никогда не

наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно,

современное живое вещество генетически связано  с живым веществом прошлых

геологических эпох.

3.           Живые организмы – главный  фактор миграции химических элементов  в

земной  коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих

существенных  чертах обусловлено жизнью». (В. Вернадский)

4.           Грандиозный геологический эффект  деятельности обусловлен тем,

что их количество бесконечно велико и действуют  они практически в течение

бесконечно  большого промежутка времени.

5.           Основным движущим фактором развития  процессов в биосфере

является  биохимическая энергия живого вещества.

Венцом  творчества В. И. Вернадского стало  учение о ноосфере, т. е. сфере разума.

В целом  учение Вернадского о биосфере заложило основы современных

представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы.

Практическое  значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит

естественнонаучной  основой рационального природопользования и охраны 
 

4. Закономерности  развития экологических систем

4.1. Основные понятия

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов,    взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Экосистему  часто ошибочно называют «биогеоценозом», но, безусловно, понятие экосистемы куда шире, и мы можем говорить о  биогеоценозе лишь как о нижней ступени  в иерархии экосистем:

1- биогеоценоз;

    2- биогеоценотический комплекс;

    3- ландшафт;

    4- биом;

    5- природный пояс;

    6- биогеографическая область: материковый  блок, океан;

    7- слой биосферы: (аэробиосфера, террабиосфера, литобиосфера, гидробиосфера)

    8- биосфера в целом.

  Но общие признаки и закономерности развития экосистем легче всего рассматривать на примере именно биогеоценозов, т.к. последние являются закрытыми системами.

  Основой фоpмиpования и функционpования биогеоценозов, а следовательно и экосистем, являются пpодуценты - pастения и микpооpганизмы, способные пpоизводить (пpодуциpовать) из неоpганического вещества оpганическое, используя энеpгию света или химические pеакции.