Структура, свойства, задачи и объект экологии

 

Невозможно пользоваться природой, охранять ее, не зная, как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействие человека, какие предельно допустимые нагрузки на природные системы может позволить себе общество, чтобы не разрушить их. Всё это и является предметом изучения экологии. «...Придавая главное значение явлениям приспособления, прилаживания организма к условиям его существования, мы тем самым признаем основным принципом биологического прогресса пользу того или иного свойства, принцип в основе экономический, почему Геккель и был прав, предложив для всей этой области биологии, создавшейся благодаря Дарвину, новое название – экология» [Тимирязев, 1939. С. 217].

Становится все более ясным, что человек очень мало знает о среде, в которой он живет, особенно о механизмах (закономерностях), которые формируют и сохраняют среду. Их раскрытие – одна из важнейших задач современной экологии и экологического образования. Ясно, что она может решаться лишь при условии изучения не только «среды обитания», но и ее обитателей, их образа жизни.

Лучше всего можно определить содержание современной экологии исходя из концепции уровней организации, которые составляют своеобразный «биологический спектр».

Ген, клетка, орган, организм, популяция и сообщество – основные уровни организации жизни; в «биологическом спектре» они расположены в иерархическом порядке – от малых систем к крупным, причем теоретически его можно продолжить до бесконечности в обе стороны.

На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под системой понимается следующее: упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое.

В экологии значение термина «популяция», первоначально обозначавшего группу людей, расширено и обозначает группу особей любого вида организмов. Сообщество в экологическом смысле включает все популяции, занимающие данный участок. Сообщество и неживая среда функционируют совместно, образуя экологическую систему, или экосистему. Сообществу и экосистеме приблизительно соответствуют часто употребляемые в европейской и русской литературе термины биоценоз и биогеоценоз (жизнь и земля, функционирующие вместе). Биом – удобный и широко используемый термин, обозначающий крупную региональную или субконтинентальную биосистему, характеризующуюся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта, например, «биом лиственных лесов умеренного пояса». Самая крупная и наиболее близкая к идеалу в смысле «самообеспечения» биологическая система, которую мы знаем, – это биосфера, или экосфера. Она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии
с физической средой как единое целое и поддерживается как система
в состоянии устойчивого равновесия, получая поток энергии от Солнца и переизлучая эту энергию в космическое пространство. Под устойчивым равновесием понимается способность саморегулируемой системы возвращаться в исходное положение, по крайней мере, после небольшого
отклонения.

Экология – это дисциплина, изучающая природные системы. Система каких-либо компонентов отличается от их механического объединения тем, что в ней возникают качественно новые свойства, отсутствующие при разрозненном рассмотрении. Эти новые системные свойства принято называть эмерджентными (от англ. emerdgent – неожиданно возникающий).

Эмерджентные свойства экологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Отсюда можно вывести принцип эмерджентности, заключающийся в том, что свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Самое важное следствие иерархической организованности живой природы состоит в том, что при переходе от низших подсистем к более крупным возникают принципиально новые качества, свойства и законы функционирования, которых не было на предыдущем уровне и которые не могут быть предсказаны на основании свойств подсистем низшего порядка. Однако необходимо различать эмерджентные свойства и совокупные свойства, представляющие собой сумму свойств компонентов. И те, и другие – свойства целого, но совокупные свойства не включают новые или уникальные особенности, возникающие при функционировании системы как целого. Иными словами, свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. При каждом объединении подмножеств в новое множество возникает, по крайней мере, одно новое качество или свойство. Например, свойства воды не могут быть предсказаны на основании свойств кислорода и водорода. Или одно дерево, как и редкий древостой, еще нельзя назвать лесом, так как оно еще не создает лесной среды (эдафической, гидрологической и пр.) и не имеет присущих лесу взаимообусловленных связей, обеспечивающих его устойчивость и продуктивность.

Применительно к живой природе принцип эмерджентности заключается в том, что биологические системы обладают свойствами, которые нельзя свести к сумме свойств составляющих их подсистем. Из принципа эмерджентности вытекает выбор подхода в изучении экологических систем. Экология изучает надорганизменные образования, и она не может быть заменена чистой биологией, изучающей отдельные организмы и более низшие уровни жизни.

Несмотря на отмеченные неясности и издержки в понимании объема, содержания и использования термина «экология», несомненным остается факт ее крайней актуальности и необходимости в настоящее время как науки. В целом основная задача дисциплины сводится к формированию общих основ системного взгляда на природные и техногенные процессы как базу для оптимизации деятельности и поведения человека в окружающем мире с целью поиска путей относительно стабильного, а в дальнейшем и устойчивого развития общества.

На первый взгляд, казалось бы, возможно при знакомстве с экологией как дисциплиной ограничиться ее прикладными аспектами и прежде всего мероприятиями по оздоровлению среды, которые сводятся в конечном счете к определенной системе технологических требований, административных запретов и санкций. Однако такой подход недостаточен и односторонен, поскольку не позволяет видеть первопричины сложившейся экологической ситуации и тем более обоснованно моделировать возможные и часто труднопредсказуемые последствия планируемых или осуществляемых действий, в том числе и с самыми благими намерениями.

Существование человека неразрывно связано с определенными условиями среды (температура, влажность, состав воздуха, качество воды, состав пищи и др.). Эти требования вырабатывались в течение многих тысячелетий существования человека. Понятно, что при резком изменении этих факторов или отклонении от нормы, требуемой организму, возможны нарушение обмена веществ и как крайний случай – несовместимость с жизнью человека. Невозможно охранять природу, пользоваться ею, не зная как она устроена, по каким законам существует и развивается, как реагирует на воздействие человека. Все это и является предметом экологии.

Экология как наука родилась в рамках биологии – совокупности наук о живой природе. В результате собственного бурного развития, потребностей практики, особенно связанных с решением проблем рационального природопользования и охраны природы, интересы современной экологии вышли далеко за ее законные биологические границы. Появились глобальная экология, социальная экология, инженерная экология, космическая экология, химическая экология, сельскохозяйственная экология и т. п.
В процессе профессиональной деятельности будущий специалист (а особенно инженер) неизбежно будет влиять на окружающую среду и живущие в ней живые организмы. Следовательно, от того, насколько он понимает законы природы и ее структуру, будет зависеть устранение негативных последствий производства, на котором он работает.

Отсюда следует, что объектом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы), предметом – взаимодействия и взаимосвязи живых организмов между собой,
а также взаимоотношения организмов со средой на популяционно-биоценотическом уровне. Таким образом, главная задача экологии заключается в том, чтобы изучить законы функционирования экологических систем всех уровней и биосферы в целом, научиться управлять и моделировать эти процессы в условиях природопреобразующей деятельности человечества и неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты и как следствие выработать тактику и стратегию поведения человечества
в целях оптимизации функционирования этих систем.

Экология как наука имеет иерархическую структуру. В настоящее время различают следующие основные отрасли экологии:

1. Общая экология – изучает общие законы формирования, функционирования и эволюции экологических систем на основе анализа таких целостных ее характеристик, как продуктивность, круговорот вещества и энергии, устойчивость, биоразнообразие (генофонд) и др. Ее ядром является теоретическая экология.

2. Биоэкология – первоначально сформировавшееся научное направление, включающее специальные, чисто биологические разделы экологии; к настоящему времени разделившееся на подотрасли:

а) аутэкология (от гр. out – отдельно) – экология отдельных особей и видов;

б) популяционная экология;

в) синэкология (от гр. syn – вместе) – экология многовидовых сообществ, биоценозов (от гр. bios – жизнь, kinos – сообща, вместе);

г) экология систематических групп (бактерий, грибов, растений, животных, а также более мелких систематических единиц: типов, классов, отрядов и т. д.) (частная экология);

д) эволюционная экология – учение о роли экологических факторов
в эволюции.

3. Геоэкология – изучает взаимоотношения организмов и среды обитания с точки зрения их географической принадлежности (экология Крайнего Севера, тундры и т. д.).

4. Прикладная – призвана решать конкретные вопросы природопользования, определять допустимые нагрузки на среду, разрабатывать методы управления природными системами (экосистемами) и способы «экологизации» различных видов деятельности человека. Выделяют медицинскую экологию, а в ее пределах экологию канцерогенеза, промышленную, урбоэкологию и т. п. Из сельскохозяйственной экологии вычленяют экологию сельскохозяйственных животных и агробиологию.

5. Глобальная – спектр этой науки выходит за рамки биосферы, здесь изучается вся экосфера планеты как космическое тело. При этом подразумевается лишь биологический подход к биосфере и составляющим ее экосистемам. Однако если говорить о биосферных процессах в целом, то учение о биосфере так или иначе охватывает всю экологию со всеми ее разделами, так как что ни случается с живым, не выходит за рамки биосферы. Даже космические аппараты несут с собой ее часть, а многие процессы глобальной экологии определены живым веществом. Поэтому, видимо, биосферология, или биосферистика, – это наука о функционировании самой биосферы как экосистемы, а учение о биосфере как о всем многообразии естественных, антропогенных и социальных процессов в ней нéчто иное, скорее всего, глобалистика, где экология занимает лишь часть места.

Итак, в более строгом смысле, экология – академическая структурированная наука, с собственной историей, структурой, объектом, задачами, методологией.

Экологией часто называют охрану окружающей среды, а иногда
и просто состояние этой среды. Разделы прикладной экологии и практика охраны окружающей среды тесно связаны между собой, но это не одно
и то же.

Не следует так же объединять охрану природы и охрану окружающей среды. Окружающая человека среда все заметнее вытесняет природную среду. Эксплуатация природных ресурсов и природных систем без понимания и учета взаимоотношения процессов, вызванных техническим прогрессом, с органическим миром (биосферой) неизбежно ведет к необратимым отрицательным последствиям. Очень точно эту ситуацию характеризовал Ф. Энгельс: «Не будем… обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредсказуемые последствия, которые очень часто уничтожают значение первых».

Охрана природы означает ограничение изъятия природных ресурсов, недопущение нарушения природных систем. Если использовать более точное определение, то охрана природы – комплекс мер по сохранению, рациональному использованию и восстановлению природных ресурсов Земли, в том числе видового разнообразия флоры и фауны, богатства недр, чистоты вод и атмосферы.

Охрана окружающей среды – это комплекс мер, предназначенных для ограничения отрицательного влияния человеческой деятельности на природу, чаще всего это означает недопущение появлений в среде обитания людей вредных и опасных для здоровья веществ.

Исторически охрана природы развивалась как система запретительных мероприятий, направленных на сохранение отдельных ландшафтов, памятников природы, ценных объектов, редких и исчезающих растений и животных, сокращение использования тех или иных ценных ресурсов, а также на организацию заповедников, заказников и национальных парков. Понятно, что в современных условиях этого недостаточно. Превратить всю землю в заповедник нельзя. Поэтому в нынешних условиях на первое место для охраны природы выходит тактика рационального взаимодействия человека и окружающей среды, черпающая свое научное обоснование в экологии.

Основные тенденции современного природопользования могут быть сведены к двум направлениям. Первое основано на принципе ограничения вмешательства человека в природную среду. В качестве критериев оценки состояния при данном подходе, как правило, используются многочисленные ПДК – величины предельно допустимых концентраций тех или иных веществ. Второе направлено на радикальную перестройку технологий, создание принципиально новых экологически безопасных технологических процессов (например, в электронике, энергетике, транспорте и др.), избавление от просчетов, приведших к загрязнению и снижению качества окружающей среды («программа альтернативной науки и технологии», модели «замкнутых производств», «сотворчества человека и природы», «коэволюции человека и биосферы»).

Экология в обоих случаях выступает таким образом в качестве теоретико-методологической базы современного природопользования. Необходимо подчеркнуть, что экология только в качестве фундаментальной науки служит научной базой природопользования. Только знание фундаментальных экологических законов позволяет ответственно и объективно принимать решения по выбору той или иной стратегии хозяйствования.

 

 

1.3. Современная экологическая ситуация на планете

 

Природа в целом сама по себе не знает экологических проблем в их сегодняшнем понимании. Если они и возникали у некоторых групп организмов, то решались медленным эволюционным путем. В отличие от этого экологические проблемы человечества стали весьма существенными проблемами всей природы на Земле.

Условно и обобщенно весь спектр экологических проблем можно свести к двум классам:

1. Проблема роста численности населения Земли и ограниченности ресурсов;

2. Проблема растущего загрязнения окружающей человека и природной среды.

Как сообщается в докладе Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП, 2004), более 70 % поверхности земного шара может сильно пострадать в ближайшие 30 лет в результате развития городов, транспортных путей, разработки месторождений полезных ископаемых и т. д., если компетентные органы немедленно не предпримут соответствующие меры по улучшению экологической ситуации.

В докладе ЮНЕП «Глобальный экологический обзор – 3» за 2004 г., целью которого являлся анализ экологической ситуации в мире за последние 30 лет и выработка планов и стратегий в области охраны окружающей среды на последующие 30 лет, утверждается, что решения по экологии, принимаемые сегодня, чрезвычайно важны для будущего, так как в большинстве случаев они неизбежно сказываются на состоянии лесов, океанов, гор, живой природы и других экологических систем, влияющих на нынешнюю жизнь всего человечества, а также жизнь последующих поколений.

В докладе не только анализируются проблемы окружающей среды, вызванные бесконтрольным развитием инфраструктуры, но и содержится предупреждение, что к 2032 г., если гипертрофированное рыночное развитие по-прежнему останется приоритетом человечества, более половины всего населения планеты будет проживать в регионах с острой нехваткой пресной воды.

В то же время специалисты ЮНЕП прогнозируют в ближайшем будущем значительное сокращение количества голодающего населения планеты. По прогнозам ЮНЕП, к 2032 г. нехватку продовольствия будет испытывать 2,5 % населения земного шара – цифра вполне сопоставимая с задачами, изложенными в Декларации тысячелетия ООН. Кроме этого, специалисты ЮНЕП утверждают, что тесное взаимодействие между правительствами, промышленными предприятиями и отдельными гражданами могло бы способствовать значительному снижению уровня загрязнения атмосферы вредными веществами и газами, которые являются причиной глобального потепления.

Специалисты выделяют две группы возможных сценариев развития событий в этой области в будущем в соответствии с избранными приоритетами: экономическое процветание; обеспечение устойчивого развития. Если приоритетом останется экономическое развитие, к 2032 г. использование органического топлива в промышленности и других сферах жизни приведет к тому, что объем выбросов углекислого газа в атмосферу достигнет 16 млрд т/год. Если приоритетом станет обеспечение устойчивого развития, уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу также несколько возрастет, но активные шаги по внедрению энергосберегающих технологий позволят к 2032 г. снизить объем выбрасываемого в атмосферу углекислого газа до 8 млрд т/год.

«Никто не знает, что ожидает нас в будущем, – отметил исполнительный директор ЮНЕП К. Топфер перед тем как доклад был представлен общественности. - Но мы знаем достаточно, чтобы прогнозировать, каким образом наши действия или же их отсутствие могут сказаться к 2032 г. на окружающей среде и на судьбах жителей этой прекрасной голубой планеты. Без охраны окружающей среды мы никогда не сможем обеспечить устойчивого развития ни для нынешнего поколения, ни для будущего».

В настоящее время каждая десятая река в мире, не достигнув моря, пересыхает, под угрозой вымирания находятся 12 % видов птиц, 23 % видов млекопитающих и 30 % видов амфибий. Одними из самых опасных глобальных проблем признаны климатические изменения, состояние запасов сельхозугодий, пресной воды и биологического разнообразия.

Если собрать воедино все нелицеприятные факты, озвученные в докладах ученых, то их краткий список будет выглядеть так:

1. Мировое население за 20 лет возросло на 34 % и составило
6,7 млрд человек.

2. Ежегодно в мире исчезает 73 тыс. км² леса, а за последние 50 лет
в мире исчезло 2/3 площади лесных массивов.

3. Каждый год от природных катаклизмов гибнет 75 тыс. человек.

4. Умирает от заболеваний, связанных с качеством воды, 3 млн человек.

5. Количество пресноводной рыбы за последние 20 лет сократилось на 50 %.

6. Более чем в половине городов загрязнение превышает нормы, установленные Всемирной организацией здравоохранения.

Что понимается в настоящее время под экологическим кризисом? Если обратиться к словарю-справочнику Н. Ф. Реймерса (1994), то «кризис экологический – это напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы. Кризис экологический характеризуется не просто и не столько усиленным воздействием человека на природу, но и резким увеличением влияния измененной людьми природы на общественное развитие». Наиболее известны кризис экологический перепромысла крупных позвоночных животных (50–10 тыс. лет назад) и современный кризис экологический, который имеет глобальный характер и охватил все среды и всю биосферу. По мнению Н. Ф. Реймерса (1994), от кризиса экологического следует отличать катастрофу экологическую:кризис – обратимое состояние, в котором человек выступает активно действующей стороной, катастрофа – необратимое явление, человек тут вынужденно пассивная, страдающая сторона.

Хозяйственная деятельность человека, кроме изъятия пищи, ведет к сокращению площади местообитания организмов, а также фрагментации местообитаний, резкому увеличению площади маргинальных (промежуточных между разрушенными и неразрушенными) экосистем. Это служит мощным фактором сокращения популяций организмов и биоразнообразия естественных экосистем.

Почвенный покров суши быстро деградирует, концентрации веществ в нем изменяются как в воде, так и в воздухе. Только за 20 лет, с 1970 по 1990 гг., на сельскохозяйственных землях потеряно 480 млрд т верхнего слоя почвы, что эквивалентно всем пахотным угодьям Индии. Практически все пахотные земли и большая часть пастбищ в той или иной степени подвержены деградации. На 60 % суши, испытавшей хозяйственное воздействие, идут активные изменения почв, а на остальной почвы страдают от антропогенных воздействий (они подвержены сухим и мокрым выпадениям серы и азота из атмосферы, в том числе в виде кислот, что существенно влияет на химические и биологические процессы).

Наконец, хорошо известна проблема биоразнообразия. Хотя общее число биологических видов на Земле еще не установлено и оценки различаются в три раза, из биогеографических исследований островов известно, что утрата 50 % среды обитания ведет к потере примерно 10 % видов.
Степень сохранности местообитаний в различных биогеографических
областях мира в настоящее время оценивается следующим образом: индомалайзийская область – 19,6 %; афротропическая – 47,1 %; палеоарктическая – 57,6 %; неоарктическая – 61,9 %; неотропическая – 65,5 %; австралийская – 69,1 %; океаническая – 80,7 %; антарктическая – 98,4 %. Приведенные данные не оставляют сомнений в вымирании значительного количества видов. В результате хозяйственной деятельности человека происходит также изменение структуры и степени сложности экосистем и сообществ организмов.

Эти драматические глобальные изменения окружающей среды прямо влияют на экономику и здоровье людей. Все это показывает, что в своем развитии человек перешел допустимые экологические пределы воздействия на окружающую среду, определяемые законами биосферы. Обнаружилась зависимость человека от экологических факторов. Длительный период условной свободы человечества от законов, которым подчинена биосфера, закончился. Наступила эпоха экологического кризиса, который,
несомненно, должен рассматриваться как наиболее опасный аспект общесистемного кризиса современной цивилизации. Если не предотвратить его дальнейшее развитие, экологический кризис неминуемо перерастет в необратимую губительную для человека экологическую катастрофу.

 

Лекция 2. БИОСФЕРА

Понятие биосферы. Границы биосферы. Учение В. И. Вернадского о биосфере. Концепция экосистемы. Распределение экосистем по широтам и высотным зонам