Экология - задачи и перспективы

Подобно всем другим областям знания, экология раз­вивалась непрерывно, но неравномерно. Труды Гиппок­рата, Аристотеля и иных древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера. Вме­сте с тем греки не знали слова «экология». Многие ве­ликие деятели «биологического возрождения» (XVIII— XIX вв.) внесли свой вклад в эту область. Например, Антон ван Левенгук, более известный как один из первых микроскопистов начала XVIII в., был также пионером в изучении «пищевых цепей» и динамики численности по­пуляций—двух важных разделов современной экологии.

ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА

Как самостоятельная наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г. Термин «экология» был пред­ложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Следовательно, это сравнительно молодая наука. Но именно она переживает в настоящее время период бы­строго роста. Экология (от греч. oicos—дом и logos — наука) в буквальном смысле — наука о местообитании. Существует много определений экологии как науки, од­нако подавляющее большинство современных исследо­вателей считает, что экология — это наука, изучающая ус­ловия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Понятие экологии очень обширно, поэтому в зависимо­сти от акцента на той или иной ее задаче меняется и сама формулировка. Для «долгосрочного употребления» лучшим определением может быть, например, следую­щее: «Экология — это биология окружающей среды». Один из отечественных экологов А. С. Данилевский да­вал такое определение: «Экология — наука о структуре и функции экологических систем и о механизмах, обеспе­чивающих их гомеостазис». Для последних десятилетий

XX в. наиболее подходит одно из определений эколо­гии, приведенное в полном словаре Уэбстера: «Предмет экологии — это совокупность или структура связей меж­ду организмами и средой».

Соревнуясь друг с другом в точности и краткости фор­мулировок, авторы забывают, что еще Эрнст Геккель дал этой науке исчерпывающее определение: «Под экологи­ей мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономи­ке природы: изучение всей совокупности взаимоотноше­ний животного с окружающей его средой, как органи­ческой, так и неорганической, и прежде всего — его дружественных или враждебных отношений с теми жи­вотными и растениями, с которыми оно прямо или кос­венно вступает в контакт. Одним словом, экология — это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дар­вин назвал условиями, порождающими борьбу за суще­ствование».

Экология, как и всякая наука, имеет два аспекта. Один — это стремление к познанию ради самого позна­ния, и в этом плане на первое место ставится поиск закономерностей развития природы, а также их объяс­нение; другой - применение собранных знаний для решения проблем, связанных с окружающей средой. Стре­мительное повышение значимости экологии объясняет­ся тем, что ни один из вопросов огромной практической важности в настоящее время нельзя решить без учета связей между живыми и неживыми компонентами при­роды.

Практический выход экологии можно видеть, прежде всего, в решении вопросов природопользования; имен­но она должна создать научную основу эксплуатации природных ресурсов. Мы можем констатировать, что пренебрежение законами, лежащими в основе естествен­ных природных процессов, привело к серьезному конф­ликту человека и природы. «Совершенно ясно, — пишет американский эколог Р. Риклефс, что никаких очевид­ных способов исправить нанесенный природе вред не существует, да и обвинение, предъявляемое человеку за его возмутительное отношение к среде, следует стро-

ить не на столь очевидных фактах, как сбрасывание в реки сточных вод, опрыскивание посевов пестицидами, ружья и гарпуны охотников, выхлопные газы автомашин, расползающиеся во все стороны пригороды. Человеку следует предъявить обвинение в том, что он не сумел с должным вниманием отнестись к законам, лежащим в основе экономики природы».

Законы, лежащие в основе естественных природных процессов, будут в центре нашего внимания. Однако прежде необходимо остановиться на взаимоотношении экологии и охраны природы. Западные ученые обычно различают науку экологию и науки об окружающей сре­де. Экология изучает три группы факторов среды, воз­действующих на организмы: абиотические, биотические и антропогенные. Охрана природы рассматривает только третий фактор — воздействие человека на среду, и то не во всем совпадает с общеэкологическим подходом. Охрана природы и шире и уже раздела экологии, кото­рый исследует влияние антропогенного фактора на при­роду. Уже — потому, что анализируется не любое воз­действие, а лишь то, последствие которого может иметь значение для жизни человеческого общества. Шире — потому, что рассматривается влияние антропогенного фактора не только на органический мир, но и на нежи­вую природу.

Обычно охрану природы рассматривают как отрасль практи­ки, имея в виду комплекс государственных, международных и об­щественных мероприятий, направленных на рациональное при­родопользование, восстановление, умножение и охрану природ­ных ресурсов для блага человеческого общества. Нередко, однако, охрана природы трактуется как наука, изучающая соци­альный обмен веществ, или обмен веществ между природой и обществом. Интенсивность стихийного обмена веществом и энер­гией между обществом и природой к настоящему времени на­столько возросла, что представляет серьезную опасность для дальнейшего существования человечества. Общество по степе­ни своего воздействия на природу становится геологической силой. Достаточно сказать, что во всем мире в результате гор­нодобывающих и земляных работ на земную поверхность еже-

годно выносится около 5 куб. км породы, а это всего в 3 раза меньше, чем уносят в океан все реки нашей планеты. За после­дние 500 лет на поверхность из недр извлечено не менее 50 млрд. тонн углерода, 2 млрд. тонн железа. Всего за последнее столетие промышленность выбросила в атмосферу около 360 млрд. тонн углекислого газа, что увеличило его концентрацию почти на 13%.

Распахивая землю, человечество перемещает массу почвы, в 3 раза превосходящую количество вулканиче­ских пород, поступающих на земную поверхность из недр за тот же срок. Деятельность человека уже приводит к изменению геохимии отдельных районов за счет рассеи­вания некоторых элементов, сконцентрированных ранее в месторождениях. Это таит в себе большие опасности, ибо все организмы, включая и самого человека, приспо­собились в ходе эволюции к существующему сочетанию химических элементов в окружающей среде.

Для того чтобы внести ясность в предмет и задачи экологии как науки, охарактеризуем взаимоотношения ее с другими областями биологии. Удобно это сделать с помощью приема, использованного Ю. Одумом в его фундаментальном труде «Основы экологии» (1975). Если образно представить структуру биологии в виде «слое­ного пирога» (рис. 1.1), то его можно «разрезать на кус­ки» двумя способами: во-первых, делить по горизонта­ли—тогда получим фундаментальные науки, такие как морфология, физиология, генетика, теория эволюции, мо­лекулярная биология, биология развития и др., изучаю­щие основные свойства жизни и не ограничивающиеся исследованием отдельных групп организмов. Но можно разрезать «пирог» и по вертикали. Тогда получим «так­сономические» науки, занимающиеся изучением есте­ственных групп живых организмов. Среди этих наук — ботаника, зоология и микробиология.

В свою очередь, каждая из них объединяет более час­тные науки, имеющие дело с собственной сравнительно узкой группой живых организмов. В соответствии с этим мы вправе разделить зоологию на протозоологию, энто­мологию, ихтиологию, орнитологию и т. д. Экология от-

Рис. 1.1. «Слоеный пирог» биологии (по Одуму, 1975). Объяснение в тексте.

носится к фундаментальным разделам биологии и пред­ставляет собой составную часть каждого таксономичес­кого подразделения. Мы можем говорить об экологии растений, экологии животных, экологии микроорганизмов, а рассматривая более частные элементы этих разделов, и об экологии птиц, рыб, насекомых и т. д.

В свою очередь, экология подразделяется еще на че­тыре горизонта, соответствующих различным уровням биологической организации: от индивидуума через по­пуляцию и сообщество к экосистеме. Для получения бо­лее наглядной картины, определяющей предмет и зада­чи экологии, можно вертикально разделить «экологиче­ский» слой не по принципу систематических таксонов, а по более общим принципам биологической организации, таким как форма, функция, развитие, регуляция и адап­тация. Если мы рассмотрим все секции горизонта, соот­ветствующего сообществу, то обнаружим секцию формы, определяющую численность и обилие видов; секцию фун­кции, выясняющую взаимоотношения между популяция­ми хищника и жертвы и обоюдными влияниями конкури-

рующих видов; секцию развития, изучающую смену ви­дов, например при переходе от расчищенной земли к лесу; секцию регуляции, исследующую способность сообще­ства поддерживать присущую ему стабильность; и сек­цию адаптации, изучающую эволюцию приспособлений. Если же выбрать какую-нибудь одну «стопку секций», на­пример ту, которая соответствует функции, то на уровне экосистемы будут рассматриваться потоки энергии и кру­говорот веществ, на уровне сообщества — взаимоотноше­ния хищник—жертва (гетеротипические реакции) и меж­видовая конкуренция, на уровне популяций — рождаемость, смертность, иммиграция и эмиграция; на уровне организ­ма — физиология и поведение особей.

1.2. РАЗДЕЛЫ И ТЕМАТИКА ЭКОЛОГИИ

Для того чтобы более точно определить область ком­петенции экологии, рассмотрим спектр уровней органи­зации живой материи:

Основная область компетенции экологии — уровень экосистем, но она простирается и на последующий уро­вень, и на два предыдущих. Проанализируем каждый уровень отдельно.

Наименее известен небиологам популяционно-видовой уро­вень. Остановимся кратко на концепции вида. В 1809 г., т. е. за полвека до знаменитого труда Ч. Дарвина «Происхожде­ние видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», Ж. Б. Ламарк — наиболее яркий эволюционист додарвинского периода изда­ет свою философию зоологии, в которой для объяснения принципа построения системы животных выдвигает следую­щие тезисы:

1. Виды изменяются, хотя и крайне медленно.

2. Виды связаны незаметными переходами так, что границы вида расплываются. Иными словами, виды реально не суще-

ствуют: понятие вид привносится человеком для удобства клас­сификации.

Мы упомянули точку зрения Ж. Б. Ламарка, чтобы с боль­шей силой подчеркнуть, что вид реален, так как ему свойствен целый ряд объективных черт. Рассмотрим семь из них:

1. Специфический тип организации: совокупность характер­ных признаков, позволяющих отличить особей данного вида от особей другого.

2. Географическая определенность: существование особей вида в конкретном месте на земном шаре; ареал — район оби­тания особей единого вида.

3. Экологическая определенность: особи вида живут в конк­ретном диапазоне физических факторов среды, таких как тем­пература, влажность, давление и пр.

4. Дифференцированность, т. е. вид состоит из более мел­ких групп особей.

5. Дискретность вида: особи данного вида отделены от осо­бей другого разрывом — хиатусом. Хиатус определяется действи­ем изолирующих механизмов, таких как несовпадение сроков размножения, использование специфических поведенческих реакций, стерильность гибридов и др.

6. Воспроизводимость — может осуществляться бесполым пу­тем (степень изменчивости низкая) и половым (степень измен­чивости высокая, так как каждый организм сочетает признаки отца и матери).

7. Определенный уровень численности, которая претерпе­вает периодические (волны жизни) и непериодические измене­ния.

Прежде всего, в поле зрения экологии попадают за­кономерности взаимоотношений и взаимосвязей отдель­ных особей и их популяций между собой и с условиями неорганической среды. Экология имеет дело в основ­ном с той стороной взаимодействия организмов со сре­дой, которая обусловливает развитие, размножение и выживание особей, структуру и динамику популяций и сообществ и их роль в протекающих в биоценозах про­цессах. К примеру, физиолог изучает зависимость от температуры процессов, происходящих в организме, эко­лог же выясняет, как влияет изменение температуры на интенсивность размножения и плодовитость организмов,

длительность их онтогенеза, на характер пищевых свя­зей, скорость и направление биологических процессов, участвующих в круговороте веществ в экологических си­стемах.

Различия в понимании предмета между физиологом и экологом, изучающими один и тот же живой организм, хорошо определил в 1930 г. Плантефоль: физиолог изу­чает организм, помещенный в искусственные условия среды, и затем осуществляет синтез полученных разроз­ненных данных; эколог же рассматривает организм в природной обстановке, где действуют постоянно меня­ющиеся силы. Можно привести много случаев несоот­ветствия между результатами, полученными в лабора­торных условиях и в природе. Так, распределение в ес­тественной среде обитания морской звезды Echinaster и рака-отшельника Eupagurus обусловлено стеногалинностью, т. е. их высокой требовательностью к повышенной солености воды, но в лабораторных условиях они ока­зываются устойчивыми к сильному, даже быстро насту­пающему опреснению воды.

Взаимоотношение особей или групп особей того или иного вида с условиями среды составляет предмет од­ного из основных разделов общей экологии — аутэкологии. Аутэкологические исследования обычно составляют важную часть современных ботанических, зоологических, сравнительно-физиологических и других работ. Для эко­лога важны те их результаты, которые позволяют выяс­нить место и роль изучаемого вида в экосистеме. Де­тальные экологические исследования наиболее суще­ственны применительно к видам, играющим значительную роль в экосистемах. Особенно важны те проявления жиз­недеятельности данного вида, которые обусловливают главнейшие его связи с другими входящими в экосисте­му видами.

В качестве специального раздела аутэкологии можно рассматривать популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. С развитием популяционной экологии связано решение таких проблем, как ме-

ханизмы регуляции численности организмов, оптималь­ная плотность и допустимые нормы изъятия из популя­ций используемых видов, например в случае промысло­вого лова; уничтожение или подрыв популяций при борь­бе с вредителями и т. д. Это направление весьма перспективно, так как решает целый ряд важнейших не только теоретических, но и практических задач. К аутэкологии тесно примыкает этология — наука о поведе­нии животных.

Специфическая задача экологии состоит в изучении живой природы на уровне экологических систем. Соот­ветственно с этим основным и ведущим ее разделом следует считать синэкологию (биоценологию), т. е. уче­ние о сообществах растений, животных и микроорганиз­мов в их взаимодействии друг с другом и с неоргани­ческой средой обитания. В настоящее время биоцено­логия переросли в науку об экосистемах, которую применительно к биоценозам суши обычно называют биогеоценологией.

Компоненты биоценоза и их абиотическое окружение настолько тесно связаны между собой, что образуют единство, для которого А. Г. Тенсли в 1935 г. предло­жил термин «экосистема»; в современной экологии со­ответствующий раздел называется учением об экосис­темах. В отечественной и немецкой литературе распро­странено представление о биогеоценозе, введенное В. Н. Сукачевым. Биогеоценоз — единство биоценоза и биотопа, приуроченного к определенному участку зем­ной поверхности, тогда как экосистема — более широ­кое понятие.

Изучение биоценозов (биогеоценозов) включает не­сколько аспектов:

1) структурный — доминирование, видовое разнообра­зие, видовая насыщенность, соотношение приспособи­тельных типов и др.;

2) хорологический — пространственное распростране­ние ценозов, их структура в зависимости от общих кли­матических, зонально-поясных, ландшафтных и регио­нальных особенностей среды;

3) сукцессионно-динамический — циклические и нео­братимые процессы, обусловленные изменениями сре­ды как в результате взаимоотношений внутри ценоза, так и под влиянием антропогенных воздействий;

4) функционально-ценотический — трофические, сим-биотические, антибиотические, конкурентные и другие отношения, средообразующая деятельность и т. д.;

5) энергетический —трофические уровни, поток энер­гии, формирование биологической продуктивности;

6) биогеохимический — механизмы круговорота ве­ществ в биогеоценозе.

Эти аспекты исследований должны быть подчинены раскрытию механизмов функционирования природных комплексов для прогнозирования их изменений и раз­работки принципов управления ими.

Тематика экологии часто пересекается с тематикой других отраслей биологии: физиологии, генетики, био­физики, теории эволюции т. д. Это определяет фор­мирование множества промежуточных и синтетических направлений, таких как экологическая физиология, ци­тоэкология, продукционно-энергетическая экология, эволюционная экология и др. Некоторые изучаемые эко­логией вопросы, например установление форм внутрипопуляционных и межвидовых отношений, имеют ог­ромное значение для понимания механизмов эволю­ции и для селекции. Отбор — явление экологическое, так как представляет собой процесс преобразований вида. Исследования, проводимые в пограничной меж­ду экологией и физиологией области, необходимы для решения таких актуальных задач, как выяснение меха­низмов адаптации к разным условиям, в том числе эк­стремальным — холоду, сухости, снижению гравитации и т. д.

Экология тесно переплетается и с небиологическими науками — химией, физикой, геологией, географией и др. Связь экологии с физико-географическими и геофизи­ческими проблемами особенно наглядна в гидробиоло­гии: изучение совокупности организмов, населяющих толщу воды и дно, ведется совместно с исследования-

ми различных физических факторов воды, приливно-отливных явлений, циркуляции водных масс и пр.

На стыке с геологией и палеонтологией возникла па­леоэкология, восстанавливающая экологические связи вымерших видов на основании строения ископаемых форм и условий их захоронения. В результате соедине­ния экологического подхода с принципами ландшафтоведения появилась экология ландшафта — направление, которое тесно связано с проблемами рационального ис­пользования, воспроизводства и охраны природных ре­сурсов. Внедрение в экологию принципов термодинамики породило продукционно-энергетическую экологию, кото­рая исследует закономерности рассеивания потока энер­гии в пищевых цепях.

Привлечение данных о влиянии растительных и жи­вотных организмов на кору выветривания привело к со­зданию В. В. Докучаевым современного почвоведения. Недаром американский эколог Ю. Одум называет Доку­чаева одним из основателей экологии. На базе почвове­дения в синтезе с другими науками возникли такие эко­логические дисциплины, как почвенная микробиология, почвенная зоология и др.

Наконец, экология тесно соприкасается с космонав­тикой, так как жизнеобеспечение в условиях длительно­го космического полета — это чисто экологическая про­блема.

Таким образом, достижения экологии служат фунда­ментом для решения ряда актуальных задач современ­ности. Все больше ученых мира склоняются к мнению, что экология — одна из важнейших наук будущего. Эко­логические принципы постепенно пронизывают все бо­лее широкий круг проблем науки и производства. В час­тности, с данными, полученными экологией, тесно смы­каются такие проблемы, как управление крупными, полностью автоматизированными производственными объединениями или создание мощных кондиционирован­ных систем жизнеобеспечения на предприятиях с уча­стием большого числа людей. Здесь могут быть исполь­зованы многие принципы и механизмы, действующие в

природе, например принципы обратной связи и доми­нантности, принципы множественного обеспечения на­дежности и соотношения лабильности и стабильности и т. д. Не случайно экологией в последнее время стали интересоваться представители таких далеких от биоло­гии специальностей, как архитектура и строительство. Уже возникли новые научные направления — инженер­ная экология, экология градостроительства.

Формирование новых синтетических направлений — объективный процесс, связанный с повышением роли экологии в решении ряда проблем развития современ­ного общества. В связи с этим понятие «экология» ста­новится все более неопределенным, так как его рас­пространяют на самые различные сферы человеческой деятельности. Все чаще встречается трактовка эколо­гии как синтетической науки. В то же время, как пишет А. Ф. Алимов (1989), «вряд ли правильно говорить о синтетической науке в отличие от синтетических мате­риалов, также трудно представить междисциплинарную науку». Нам представляется правомерным предложен­ное тем же автором выделение специального раздела экологии социоэкологии (по аналогии с социосферой),которая, используя общие законы экологии, будет заниматься количественной оценкой взаимодей­ствия человеческого общества с природными экосис­темами. В таком случае сохранится значение экологии как сугубо биологической науки, исследующей струк­туру и функционирование систем надорганизменного уровня в естественных и измененных условиях, что не исключает, естественно, формирования частных син­тетических направлений, связанных с решением раз­личных задач.