Основы экологии

   Полевые методы позволяют установить результат  влияния на организм или популяцию  определённого комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях.

   Однако  наблюдения не могут дать вполне точного  ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всё разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность.

   На  основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые  полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в  лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это даёт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ.

   Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых  можно строго дозировать тот или  иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние.

   Эксперимент может носить и самостоятельный  характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых  дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища).

   В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных  условий, но изучить влияние отдельных  факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно.

   Примером  экологических экспериментов широких  масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и различных  сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических  особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов.

   В современных условиях экологические  исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических  и практических задач. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга. 

   Математические  методы и моделирование.

   При экологическом исследовании, которое  обычно поводится на определённом количестве особей, изучаются природные явления  во всём их разнообразии: общие закономерности, присущие макросистеме, её реакции на изменение условий существования и др. Но каждая особь, индивидуум неодинаковы, отличны друг от друга. Кроме того, выбор особи из всей популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики даёт возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов (степень отклонения их от нормы, случайные отклонения или закономерности) и получить объективное представление о всей популяции.

   Однако  как только было установлено, что  все биологические системы, в  том числе и надорганизменные макросистемы, обладают способностью к саморегуляции, ограничиваться методами математической статистики стало невозможно. Поэтому в современной экологии широко применяются методы теории информации и кибернетики, тесно связанные с такими областями математики, как теория вероятности, математическая логика, дифференциальные и интегральные исчисления, теория чисел, матричная алгебра.

   В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений, т.е. воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природе. Так, в «модельных условиях» были осуществлены многие реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др.

   В различных областях биологии широко применяются так называемые живые модели. Несмотря на то что различные организмы отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они то и становятся живыми моделями. В качестве примера можно привести зоохлореллу, которая служит моделью для изучения обмена веществ; моделью для исследования внутриклеточных процессов являются гигантские растительные и животные клетки и т.д.

   Основной  задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функции биологических систем. сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.

   В зависимости от особенностей оригинала  и задач исследования применяются самые разнообразные модели (рис. 1).

   Реальные (натурные, аналоговые) модели, если таковые удаётся создать, отражают самые существенные черты оригинала. Например, аквариум может служить моделью естественного водоёма. Однако создание реальных моделей сопряжено с большими техническими трудностями, так как пока ещё не удаётся достичь точного воспроизведения оригинала.

   Знаковая модель представляет собой условное отображение оригинала с помощью математических выражений или подобного описания.

   Наибольшее  распространение в современных экологических исследованиях получили концептуальные и математические модели и их многочисленные разновидности. Разновидности концептуальных моделей характеризуются подробным описанием системы (научный текст, схема системы, таблицы, графики и т.д.). Математические модели являются более эффективным методом изучения экологических систем, особенно при определении количественных показателей. Математические символы, например, позволяют сжато описать сложные экологические системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодействия различных их компонентов.

Рис 1. Классификация моделей (по В.Д. Фёдорову и Т.Г. Гильманову, 1980 г.) 

       
Методы социальной экологии не просто дополняют друг друга, а находятся в некотором единстве, обусловленном спецификой ее предмета, и тесно связаны с реальными процессами, имеющими место в социально-экологическом исследовании.

     В работе Б. Коммонера изложены четыре основных глобальных экологических  закона, которые могут считаться  законами социальной экологии.

     1-й  закон. Стремление человеческой среды возникает вследствие нарушения отношений в экологической системе в рамках ее причинно-следственных отношений.

     Из  этого следует, что влияние на любую природную систему на Земле вызывает целый ряд эффектов, оптимальное развитие которых трудно предвидеть.

     2-й  закон содержит положение о том, что человек живет в замкнутом пространстве, поэтому все, что создается, и все, что берется от природы, ей же определенным способом снова возвращается.

     3-й  закон указывает на связанность наших знаний о природе и нашего воздействия на нее. То есть если мы не будем знать, как переоформлять природу, мы не можем ее «улучшать» нашими действиями, значит надо вернуться к тем формам жизни, которые представляют экологическую гармонию.

     4-й  закон говорит о том, что глобальные экологические системы представляют собой неделимое целое и все, что человек из них извлекает, должно быть компенсировано. Поэтому потребление природных ресурсов не может быть безгранично.

     Более конкретно Законы Коммонера гласят:

     Экологического  счастья в одной стране быть не может, с загрязнением океана, парниковым эффектом и озоновыми дырами должно бороться все сообщество.

     За  все надо платить. Международное сообщество финансирует научные проекты, позволяющие сохранить биологическое равновесие.

     Все надо куда-то девать. Международное сообщество приняло специальные законы, запрещающие вывоз и захоронение ядовитых и радиоактивных отходов в бедных странах. Мировой океан также не место для отходов.

     Природа знает лучше. Человек должен сохранить экологическое равновесие биосферы, не пытаясь быть умнее природы, и создавать искусственную среду разума – ноосферу.

ВЫВОД 
 

        К основным источникам загрязнения (по В.А. Вронскому, 1996) относят промышленные предприятия, транспорт, теплоэнергетику, сельское хозяйство и др. Среди отраслей промышленности особо токсичные выбросы в окружающую среду дают предприятия химической, нефтеперерабатывающей, черной и цветной металлургии, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, производства строительных материалов и др.

         Велика негативная роль теплоэнергетики и автомобильного транспорта. Тепловые электростанции являются источниками значительного спектра загрязнений.

         Предприятия черной металлургии выбрасывают пыль, газы - оксиды серы и металлов. При работе агломерационных фабрик в атмосферу поступают пыль и оксиды серы, предприятия химической промышленности загрязняют атмосферу диоксидом серы, фтористым водородом, хлором, оксидом азота. Заводы стройиндустрии выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота. От нефтеперерабатывающих предприятий поступают углеводороды, сероводород, стирол, толуол, ацетон и многие другие газы.

         По агрегатному состоянию распределение доли вредных выбросов между отраслями промышленности в отдельных странах различно. Все загрязняющие вещества подразделяют на твердые, жидкие и газообразные, из которых последние составляют 90 % всей массы выбросов в атмосферу. Значительная доля различных загрязнений по крупным городам мира связана с эксплуатацией автомобильного транспорта. Загрязнение атмосферы, видимо, наиболее опасная форма загрязнения окружающей среды, так как дыхание - основа жизни любого организма. Химические вещества, проникая в ткани растения, нарушают обмен веществ, структуру листьев и побегов.

                  Выброс твердых частиц в атмосферу. Переход теплоэнергетики на сжигание низкокачественного высокозольного твердого топлива увеличивает количество золошлаковых отходов, усложняя систему очистки продуктов сгорания от мелких частиц золы, выбрасываемых в атмосферу через дымовую трубу, и увеличивает выброс частиц в атмосферу.

         Сильно загрязняют атмосферу твердыми частицами и другие отрасли промышленности. Например, большие выбросы происходят при проведении открытых горных работ, открытой добыче сырья, при производстве строительных материалов. Образующееся в карьере при взрывных работах облако пыли и газов распространяется на расстояние до 10-12 км. Кроме того, сдуваемая с отвалов пыль осаждается на почву, уменьшая ее плодородие.

         Оксиды азота. Фотохимический смог. Оксиды азота, монооксид NO и диоксид N02 образуются при ґсжигании всех видов топлива и представляют особую опасность для здоровья человека. Основными источниками выбросов оксидов азота в атмосферу являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), автотранспорт, авиация, ТЭС, ТЭЦ, металлургия и другие отрасли промышленности. Высокие концентрации оксидов азота локализуются вблизи источников выбросов и приводят к появлению смога.

         Смог - сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах, обусловленное застаиванием больших масс воздуха.

         "Озоновые дыры" представляют собой значительные пространства в озоновом слое (экране) на высотах 20 - 25 км в атмосфере планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Это явление является частью сложной экологической проблемы, связанной с изменениями в мощности озонового экрана.

         Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность, что создает опасность для жизненных процессов на Земле практически для всех живых организмов.