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 ус ловия 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 — аутэколо гии. 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 биогео ценологией.

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 экосис темах. 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.