Научные исследования в экологии

• Традиционное деление экологии на общую (изучение основных принципов организации и функционирования биологических систем) и частную (изучение конкретных групп живых организмов) отражает не столько проблематику экологии как науки, сколько различие в характере и методах конкретных исследований.

Определенная иерархическая соподчиненность и функциональная взаимозависимость биологических систем различных уровней определяют главную задачу экологии, которая состоит в изучении организменного, популяционного и биоценотического уровней организации экологических систем.

Методологической основой экологии является системный подход, ориентированный на изучение интегрированных объектов и интегральных зависимостей и взаимодействий. Системный подход в применении к анализу экосистемы, заключается в определении образующих её составных частей и взаимодействующих с ней объектов окружающей среды, в установлении структуры экосистемы (совокупность внутренних связей и отношений) и в нахождении закона функционирования экосистемы, определяющего характер изменения компонентов экосистемы и связей между ними под действием внешних объектов.

Системный подход изучения экосистем в экологии реализуется тремя группами методов исследования: 1) полевые наблюдения, 2) эксперименты, 3) моделирование.

• Полевые наблюдения – метод непосредственного наблюдения изучаемой экосистемы или ее определенных компонентов в естественных условиях без вмешательства экспериментатора в ее состав и функционирование. Среди полевых наблюдений распространен эколого-географический метод, который предполагает применение ландшафтных исследований. При проведении таких исследований решаются следующие задачи:

• выделение основных типов экосистем и их взаимосвязей в изучаемом ландшафте;

• определение видового состава организмов, населяющих экосистему, установление соответствующего ей микроклимата, типа почвы, почвообразующих пород, характера гидрологического режима;

• идентификация структуры на качественном уровне, то есть получение общей картины взаимосвязей между видами, установление связей организмов с почвой, приземным слоем воздуха и другими неживыми компонентами экосистемы, а также их взаимодействия между собой;

• получение качественных показателей состава экосистемы, например, определение содержания в почве биогенных элементов, воды, ее температуры и т.д.;

• количественное описание функциональных связей между компонентами экосистемы и внешних воздействий на нее. В качестве примера можно привести установление следующих зависимостей: интенсивности фотосинтеза от температуры, влажности, обеспеченности биогенными элементами; выяснение зависимости скорости выедания растений растительноядными животными от количества и качества фитомассы, от плотности и состояния самой популяции, от метеорологических условий и т.д.;

• комплексное описание сопряженной динамики всех компонентов системы в сезонном, годовом и многолетнем масштабе, которое могло бы служить основой для анализа закономерностей функционирования данной экосистемы в сравнении с другими экосистемами.

Полевые наблюдения позволяют получить конкретные сведения о состоянии отдельных видов и популяций; их роли в существовании определенной экологической системы; зависимость от деятельности определенных групп организмов, антропогенного влияния; изменении численности популяций и т.д.

В экологических исследованиях, как и в других биологических науках, часто применяется экспериментальный метод. В отличие от пассивного наблюдения при проведении эксперимента исследователь сознательно производит определенные изменения в экосистеме.

Эксперименты различаются по достигнутому в них уровню контроля над изучаемым объектом. Одни эксперименты могут проводиться при однократном возмущении экосистемы, и тогда экспериментатор наблюдает только за динамикой ее поведения, которая может проявляться на фоне всевозможных, часто нежелательных с его точки зрения, воздействий. В других экспериментах исследователь может контролировать все параметры на протяжении всего опыта.

В зависимости от места проведения опыты подразделяются на полевые и лабораторные. Полевые опыты при проведении экологических исследований практически неконтролируемы, так как действие экспериментатора на многие факторы ограничено. В лабораторных опытах можно обеспечить контроль большего числа факторов. Тем не менее, многие из них следует отнести к частично контролируемым. Наиболее полный контроль изучаемых факторов достигается в сложных лабораторных экспериментах.

Классический и наиболее распространенной схемой проведения естественнонаучного эксперимента считается однофакторный опыт, сущность которого состоит в определении влияния изучаемого фактора на фоне фиксированных остальных факторов, то есть используется так называемый принцип «единственного различия».

Однако в естественных условиях однофакторный экологический опыт провести практически невозможно. Для этой цели больше подходят многофакторные эксперименты. Сущность их заключается в том, что исследователь изменяет не один, а сразу несколько факторов. Это позволяет при последующей математической обработке получить многофакторное описание уравнения изучаемого процесса.

Многие исследователи справедливо поднимают вопрос о том, что экологические исследования, проведенные в лабораторных условиях, и полученные на их основе выводы не всегда применимы к полевым условиям. Поэтому в экологических исследованиях предпочтение отдается полевым условиям. Кроме специально спланированных опытов, большой вклад в развитие экологической теории внесло обобщение результатов непреднамеренных «экспериментов» с экосистемами, которые были следствием естественных природных процессов или деятельности человека. В настоящее время считается, что изучение сложных систем, к которым относится и экосистема, наиболее эффективно при сочетании экспериментального метода и моделирования.

Экспериментальные методы оценки состояния окружающей среды позволяют провести анализ влияния на нее естественных и антропогенных воздействий.

Эксперименты в природных условиях позволяют моделировать ту или иную ситуацию, последствия ее развития для конкретного сообщества организмов, биоценоза или биогеоценоза.

Моделирование зародилось практически одновременно с развитием научного познания и играет особую роль в исследовании сложных систем, где зачастую трудно использовать другие методы. Моделирование экологических процессов представляет собой мощный инструмент для количественной и качественной оценки изменения состояния окружающей среды под воздействием различных факторов.

Роль в решении экологических проблем методом системного анализа и математического моделирования в настоящее время резко возрастает в связи с широким применением компьютерно-информационных технологий и использованием геоинформационных систем.

Методы моделирования приобретают особую значимость при научном прогнозировании такой сложной системы, как природная среда, испытывающей разнообразный комплекс антропогенных воздействий. Эта система с точки зрения моделирования является труднопрогнозируемым объектом. Тем не менее, современный уровень развития фундаментальных наук и компьютерно-информационных технологий в принципе решить эту проблему.

Изучение специфических характеристик сложно организованных объектов, многообразие связей между их элементами, каковыми являются экологические проблемы, решаются системным подходом.

Необходимость использования моделей определяется тем, что многие системы, которые подлежат исследованию, по тем или иным причинам не могут быть изучены непосредственно, или же это исследование требует много времени и средств.

Невозможность непосредственного изучения системы обусловлена тем, что

- во-первых, она может быть недоступна по причине ее громоздкости, массивности, отдаленности (например, ядро Земли),

- во-вторых, система реально не существует (будущее потребности общества),

- в-третьих, изучение системы может привести к нарушению функций системы или даже к ее разрушению,

- в-четвертых, трудно выделить некоторые моменты структуры и состава системы.

Математическое моделирование позволяет с большой долей достоверности, используя накопленные данные, прогнозировать возможное развитие тех или иных процессов и ситуаций в экологических системах. Однако, используя математические приемы, эколог должен помнить, что в связи с наличием у сложных экологических систем большого числа степеней свободы, а также параметров, зависящих от времени, к этим системам не могут применяться классические, жестко детерминированные алгоритмы управления и прогнозирования. Иными словами, математический расчет в экологии может и должен ориентировать при решении практических вопросов, но не может и не должен предсказывать конкретные частности. Однако развитие количественных методов исследования, превращающих экологию в точную науку, является потребностью времени.