Лекція №1 Вступ в екологію

1. Теоретичний матеріал

Чому сучасна екологія є самостійною наукою?

ЕКОЛОГІЯ (грец. ойкос - оселя, логос - наука) - це наука про взаємозв'язки живого між ним та з навколишнім середовищем. Термін «екологія» вперше ввів німецький зоолог Е. Геккель ще в 1866 р. Екологія виникла як суто біологічна наука, але нині є самостійною фундаментальною наукою про взаємовідносини живої й неживої природи.

Об'єкти досліджень екології - це живі організми та надорганізмові біосистеми (популяції, види, екосистеми, біосфера) у своїх взаємозв'язках із середовищем. На сьогодні основним об'єктом екологічних досліджень є екосистеми на різних рівнях організації.

Предметом екології є різноманітність взаємозв'язків між організмами, їхніми угрупованнями та середовищем існування, а також закономірності функціонування надорганізмових біосистем.

Завдання екології полягає в тому, щоб розкрити закономірності екологічних зв'язків. У рамках цього завдання вивчають: екологічні закономірності взаємодії біосистем між собою та із природним середовищем; екологічну сутність, тобто особливості внутрішньої структури та функціонування надорганізмових біо-

систем, екологічні явища, що виявляються у властивостях, функціях, адаптації до змін середовища та ін. Основні завдання екології у XXI ст.: вивчення загального екологічного стану біосфери, причин його зміни під дією різних чинників, прогнозування динаміки стану екосистем і біосфери в просторі й часі, розроблення шляхів гармонізації суспільства й природи.

У межах загальної екології виокремлюють чотири розділи:

аутекологія (екологія видів, факторіальна екологія) вивчає організм та умови його існування, онтогенез, розмноження, інші життєві функції в певних умовах природного або штучно створеного середовища;
демекологія (екологія популяцій) досліджує властивості популяцій у конкретних умовах їх існування, динаміки, адаптації до природного середовища, внутрішньо- і міжвидові взаємовідносини;
синекологія (екологія біоценозів, біогеоценологія) вивчає різноманітні угруповання рослин, тварин, грибів, мікроорганізмів, трофічні зв'язки між ними, форми співіснування;
екосистемологія (екологія екосистем) - вивчає екосистеми всіх розмірів і ступенів складності, їх розвиток, особливості, еволюцію та динаміку.

До прикладних галузей належать екологія лісових екосистем, агроекологія, гідроекологія, екологія ґрунтів, екологія міських екосистем, ландшафтна екологія, біосферологія (глобальна екологія), екологія енергетики, космічна екологія та ін.

Екологія як наука виникла у процесі розвитку біологічних наук і сформувалася в самостійну науку з притаманними їй закономірностями й завданнями.

Чому методи екології є надзвичайно різноманітними?

Методи екології - це шляхи й способи організації пізнавальної діяльності про характеристики (структуру, функціонування, розвиток тощо) екологічних об'єктів дослідження. Різноманітність і складність взаємозв'язків біосистем із навколишнім середовищем зумовлюють застосування різноманітних методів екологічних досліджень.

Іл. 56. Організми-індикатори: 1 - ксанторія настінна (індикатор пилового забруднення); 2 - зозулин льон звичайний (індикатор забруднення сульфур(IV) діоксидом); 3 - страусове перо звичайне (індикатор наявності сполук Кадмію в ґрунті)

Найважливішою групою екологічних методів є методи дослідження впливу чинників середовища на функціонування біосистем. Ці методи поділяють на польові (маршрутні, стаціонарні, описові, експериментальні) та лабораторні. Вони здійснюються за допомогою спостережень та експериментів у природних чи лабораторних умовах. Спостереження - вивчення біосистеми шляхом фіксації певних її ознак. Експеримент передбачає свідоме внесення змін і зіставлення результатів спостережень в експериментальній та контрольній групах або ділянках біосистем. Експериментальне визначення впливу чинників за допомогою живих тест-об'єктів має назву біотестування. Найчастіше як тест-об'єкти використовують крес-салат, цибулю, дафній, циклопів, інфузорій.

Оцінювання стану навколишнього середовища є необхідною частиною будь-якого екологічного дослідження. Для цього застосовують вимірювання (отримання кількісних характеристик об'єктів і явищ), екологічний моніторинг (організоване періодичне або безперервне спостереження за станом екологічних об'єктів), екологічну індикацію (оцінювання стану середовища за допомогою живих об'єктів, наприклад, ліхено- або бріоіндикацію) (іл. 56).

Для кількісного обліку організмів, оцінювання біомаси та продуктивності рослин і тварин застосовують метод аерокосмічної реєстрації (наприклад, чисельності стад, скупчень риби). Через складність надорганізмових біосистем щодо їхнього вивчення часто використовують метод екологічного моделювання, що уможливлює прогнозування динаміки розвитку біосистем.

Отже, сучасна екологія використовує різні методи величезної різноманітності й складності об'єктів вивчення екології.

Чому сучасна екологія є фундаментальною міжгалузевою наукою?

Функції науки екології підпорядковані потребам суспільства. Екологія пізнає фундаментальні рівні й властивості життя та пояснює сутність закономірностей розвитку природи, екологічних явищ і процесів (пізнавальна функція). Екологія дає людині знання для того, щоб розумно та раціонально користуватися природними ресурсами, усвідомити роль природного середовища для життя й здоров'я людини, сформувати уміння й навички здорового способу життя (освітня функція). Екологічні знання формують узагальнену систему ідей та поглядів на світ, людину, її місце в світі (світоглядна функція). Екологія є теоретичним фундаментом для прикладних галузей діяльності людини (медицини, сільського господарства, селекції).

Результати екологічних досліджень є надзвичайно важливими і для заповідної справи, природокористування та охорони природи. Зростає роль екології у прогнозуванні розвитку біосфери, наслідків антропогенного впливу та створенні нових виробничих технологій, проектів і планів соціального й економічного розвитку, для розв'язування глобальних проблем сучасності (практична функція).

Реалізація функцій екології забезпечується тісним взаємозв'язком з іншими галузями біології, що визначає формування багатьох нових екологічних розділів: екологічної фізіології, цитоекології, еволюційної екології, біохімічної екології, палеоекології, космічної екології тощо. Для ефективного розв'язування сучасних екологічних проблем необхідний науковий матеріал фізичного, хімічного, геологічного, соціального, кліматологічного, економічного та іншого характеру. Крім того, не обійтися без статистичної обробки, програмування прогнозування, моделювання різних процесів. Ось чому сучасна екологія використовує всі ефективні найновіші методи й технічні засоби природничих, технічних, суспільних й гуманітарних наук.

Отже, екологія є фундаментальною наукою з розвинутими міжгалузевими зв'язками, що й забезпечує реалізацію її основних функцій.

Які особливості екологічних зв'язків?

У природі існує загальний зв'язок явищ, тобто спосіб існування об'єктів природи у їхній взаємодії, взаємовпливах і взаємопереходах. Предметом екології є лише певна сукупність цих зв'язків, а саме екологічних. Що ж таке екологічні зв'язки?

ЕКОЛОГІЧНІ ЗВ'ЯЗКИ - це закономірні взаємовідносини, що виникають між об'єктами неживої природи й організмами та надорганізмовими біосистемами. Вони можуть бути дуже різними: структурними й функціональними, випадковими й необхідними, прямими й опосередкованими. Їх класифікують за різними критеріями. За походженням розрізняють внутрішні й зовнішні зв'язки. Внутрішні зв'язки - це зв'язки між елементами біосистеми, сукупність яких утворює її структуру й сутність. Зовнішні зв'язки являють собою відносини між даним явищем і навколишніми об'єктами або процесами. Екологічні зв'язки існують на всіх рівнях організації життя: організмові, популяційні, видові, біоценотичні (трофічні, топічні, фабричні, форичні), екосистемні (біогеоценотичні), біосферні. Оскільки біологічні системи є відкритими й обмінюються із середовищем речовинами, енергією та інформацією, тому можна виокремлювати речовинні, енергетичні та інформаційні зв'язки.

Екологічні зв'язки визначають екологічну сутність і явища будь-якої біосистеми, оскільки вони відкриті для середовища. Поняття екологічна сутність виражає головне в біосистемі, що зумовлене внутрішніми зв'язками між складовими структурними компонентами. Так, у біогеоценозах головними зв'язками є взаємозв'язки між біотопом і біоценозом або трофічні відносини між популяціями. Категорія екологічні явища відображає зовнішні властивості, процеси, зв'язки біосистеми з навколишнім середовищем, що доступні для дослідження за допомогою екологічних методів. До екологічних явищ належать екологічний стан біосистеми та екологічні процеси, що в ній відбуваються, а також екологічні механізми саморегуляції, самооновлення та самовідтворення.

Отже, предметом екології є вся різноманітність досліджуваних екологічних зв'язків у відносинах живого з неживим.

Які особливості та класифікація екологічних закономірностей?

Особливе значення в системі екологічних зв'язків мають закономірності, що характеризують екологічні явища з якісного боку. Екологічна закономірність - це певна залежність між подіями навколишнього середовища та екологічними явищами, що характеризується певною впорядкованістю, відносною сталістю, регулярністю зв'язків. Так, у відповідь на нестачу Магнію в ґрунті в кукурудзі зменшуються вміст хлорофілу та стійкість проти хвороб. Проявляється це у вигляді хлорозу. Листки стають плямистими (мармуровість), блідими, жовтуватими. Якщо ця закономірність спостерігається не лише в кукурудзи, а й в інших видів рослин, то вона набуває статусу екологічного правила або закону. Так, у 1828 р. німецький ботанік Ф. К. Шпренгель, вивчаючи вплив вмісту різних хімічних елементів у ґрунті на зростання рослин, сформулював правило мінімуму: ріст рослин обмежується кількістю поживної речовини, що міститься в найменшій концентрації. Подальші дослідження розширили сферу застосування цього правила, і в сучасній екології ця закономірність формулюється як закон обмежувального чинника: найбільший лімітуючий вплив на організм, популяцію або угруповання мають ті життєво важливі чинники зовнішнього середовища, кількість (концентрація) яких є близькою до мінімального критичного рівня.

ЕКОЛОГІЧНИЙ ЗАКОН - це об'єктивний, постійний і необхідний взаємозв'язок між біосистемами та навколишнім середовищем, що випливає з їх внутрішньої екологічної сутності. Більшість екологічних законів вдало узагальнив американський еколог Б. Коммонер у 1974 р., звівши їх до чотирьох законів: «Усе пов'язане з усім», «Усе має кудись подітися», «Природа “знає” краще» і «Ніщо не дається задарма». Згідно з основними напрямами біоекології екологічні закони поділяють на аутекологічні, демекологічні, синекологічні, екосистемологічні та біосферологічні.

Аутекологічні закони відображають закономірності дії екологічних чинників на структуру, функції і розвиток організмів. До найвідоміших законів цієї групи окрім закону обмежувального чинника відносять ще закон єдності середовища та організмів, закон оптимуму та закон взаємокомпенсації екологічних чинників.

Демекологічні закони - це закономірності екологічних явищ на рівні популяцій та видів. Закон обмеженого росту, закон Гаузе, правило Бергмана, правило Алена є прикладами законів популяційної екології, що вивчає динаміку розвитку популяцій, їхні механізми саморегуляції, формування адаптацій та ін.

Синекологічні закони, або закономірності функціонування біоценозів й угруповань. Це закон обмеженості (вичерпності) природних ресурсів, правило екологічного дублювання, правило «метаболізм і розміри особин» (правило Ю. Одума) та ін.

Екосистемологічні закони є закономірностями взаємозв'язків екосистем з довкіллям та між собою в складі біосфери. До цієї групи відносять правило екологічної піраміди, закон односпрямованості потоку енергії, закон внутрішньої динамічної рівноваги.

Біосферологічні закони мають найвищий статус серед екологічних закономірностей. Більшість із них сформулював В. І. Вернадський. Це закон біогенної міграції хімічних елементів, закон єдності живої речовини, закон ноосфери.

Отже, головне завдання екології полягає в тому, щоб осягнути закономірності досліджуваних екологічних зв'язків, зрозуміти сутність й явища, характерні для надорганізмових систем.

Які принципи застосування екологічних законів у практичній діяльності людини?

Методологічною основою сучасної екології є філософське розуміння поняття «система» та системний підхід як особливий напрям досліджень. Сутність цього підходу полягає у вивченні кожного елементу структури системи в його взаємодії з іншими елементами й середовищем, що уможливлює розуміння функціонування й змін системи в цілому. Застосування системного підходу ґрунтується на основних положеннях: 1) кожна система має свою СТРУКТУРУ, що утворюється сукупністю елементів; 2) кожна система має ВНУТРІШНІ Й ЗОВНІШНІ ЗВ'ЯЗКИ; 3) ФУНКЦІОНУВАННЯ системи відбувається у взаємозв'язках із середовищем.

Застосування екологічних законів у практичній діяльності людини має відбуватися на основі певних принципів:

принцип оновлення ресурсів - людина має використовувати такі ресурси й у такій кількості, щоб відбувалося їх поступове відновлення внаслідок природних процесів;
принцип цілісності природи - вплив на якийсь елемент природи позначається на її інших складниках, оскільки всі елементи й процеси природи нерозривно пов'язані між собою;
принцип рециклічності, або повторне багаторазове використання найважливіших речовин, оскільки в природі є й невідновні ресурси;
принцип завбачливості - людина має передбачати наслідки впливу на природу, запобігати виникненню та розвитку негативних змін.

Основними галузями застосування екологічних закономірностей є сільське господарство, рибне господарство, лісова промисловість, охорона природи. Так, для вирощування рослин необхідними є знання закономірностей впливу екологічних чинників, для розведення риби - знання популяційних закономірностей, створення штучних екосистем має відбуватися на основі екосистемологічних законів (іл. 57).

Іл. 57. Аквакультура лосося - найефективніший спосіб отримання продукції

Отже, розуміння екологічних закономірностей та принципів їхнього застосування є необхідною умовою збереження природи та розвитку суспільства.