Методи екологічних досліджень.

Предмет і завдання сучасної екології.

План

ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ, ЗНАЧЕННЯ ЕКОЛОГІЇ. ОСНОВНІ МЕТОДИ ЕКОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Лекція 1

1. Предмет і завдання сучасної екології.

У зв’язку із зростаючим впливом людини на оточуюче середовище та порушенням численних зв’язків між явищами природи екологія нині стала найважливішою наукою – не тільки біологічною, а й соціальною.

Екологічна освіта підростаючого покоління є достатньо важливим і актуальним завданням сучасного суспільства, а також однією з основних умов його подальшого виживання. Тому таким важливим є зміст цієї освіти – той науковий багаж, фундамент знань, який повинен увійти у світогляд нового покоління, стати основою його діяльності, біоцентричного сприйняття оточуючої природи.

Довгий час екології як науки не існувало взагалі. Але проблема взаємодії людини і природи набула стабільного значення. Посилення антропогенного тиску на природу в першу чергу впливає на живі організми. Цей процес в останні десятиріччя небезпечно актуалізувався. Нині опинилися на грані вимирання тисячі видів організмів.

У наш час почалося прогресуюче руйнування біосфери Землі, яке загрожує стати незворотнім. Тому за останні роки різко зросла роль біологічної дисципліни – екології, завданням якої є розробити нові, науково обґрунтовані методи щоб зберегти біосферу планети.

Екологія –це наука про умови існування живих організмів та взаємозв’язок між ними (організмами) і середовищем, в якому вони живуть.

Першим вжив термін «екологія» у 1866 році німецький біолог Е. Геккель. Він походить від грец oikos – дім, помешкання, місце перебування; logos – наука, вчення. Так Геккель назвав науку, що вивчає організацію та функціонування надорганізмових систем різних рівнів: видів, популяції, біоценозів, екосистем (біогеоценозів) та біосфери в цілому.

Екологія є складовою частиною біології. Американський еколог Юджин Одум дав найбільш коротке визначення екології –це біологія навколишнього середовища.

Важливу роль у диференціації екологічної науки мав ІІІ ботанічний конгрес, який відбувся у 1910 році в Брюсселі. На ньому було вирішено поділити екологію на такі розділи:

1. Екологія організмів (аутекологія) друга назва моноцен, вивчає взаємозв’язок виду з навколишнім середовищем.

2. Екологія популяцій (демекологія), демецен, що вивчає структуру виду популяцій.

Популяція –сукупність особин одного виду організмів, що населяють (екосистему) однорідну ділянку землі протягом багатьох поколінь. Найважливішими показниками популяції є чисельність і густота.

Кожна популяція починається з пари особин, яка в процесі розмноження займає життєвий простір. Густота популяції визначається кількістю особин на одиницю площі або об’єму. Стан популяції залежить від плодючості і тривалості (коефіцієнт народжуваності).

У сучасних популяційних дослідженнях використовуються математичні моделі росту, взаємопідтримки та зменшення чисельності тих чи інших видів. Побудова цих моделей пов’язана з рядом важливих понять, виживання та смертність. Популяційна екологія забезпечуэ теоретичну базу для розуміння спалахів чисельності шкідників і паразитів, що має значення для с/г та медицини і відкриває можливості боротьби з ними за допомогою біологічних методів (наприклад, використання хижаків та паразитів шкідників), а також дозволяє оцінювати критичну чисельність виду, що необхідна для його виживання.

3. Екологія угрупувань (синекологія) плеоцен, приділяє велику увагу біотичним компонентам екосистеми, аналізує стосунки між особинами, що належать до різних видів даного угрупування.

4. Екологія біосфери (глобальна екологія).

В 70-х роках ХХ ст. складається соціальна екологія, що вивчає загальні особливості взаємодії суспільства та оточуючого середовища та його охорони. Головним об’єктом вивчення екології є екосистема.

Екосистема –природний комплекс, утворений за довгий період живими організмами й середовища, в якому вони існують, і де всі компоненти тісно пов’язані обміном речовин і енергії.

Цей термін увів в науковий обіг англійський біолог А. Тенслі у 1935 році.

Екосистема

Мікроекосистема Мезоекосистема Макроекосистема

(пеньок з грибами) (озеро, річка, ліс) (континент, океан)

Екосистема складається з біоценозу та біотипу.

Біотип –це ділянка поверхні з певними умовами існування (грунт, клімат).

Біоценоз –сукупність рослин, тварин, мікроорганізмів, що населяють біотип.

Взаємодія біоценозів з біотипами відбувається через речовинно-енергетичний обмін. У ланцюгах живлення беруть участь організми трьох трофічних груп:

Продуценти –(рослини, мікроорганізми), у процесі фотосинтезу і хемосинтезу перетворюють сонячну енергію на хімічні зв’язки у органічних сполуках (вуглеводах, білках, жирах).

Консументи –(всі тварини, рослини-паразити), для свого існування споживають органічні речовини, створені продуцентами.

Редуценти –(бактерії, гриби) – живляться трупами, розкладаючи їх зумовлюють поступовий перехід органічних сполук в неорганічні. На сучасному етапі розвитку екологія займається питанням охорони, раціонального використання та відтворення біологічних ресурсів.

Предметом екологіїє вивчення законів формування, функціонування, розвитку і загибелі екосистем.

Серед основних завдань екологіїможна виділити наступні:

1. Дослідження особливостей організації життя, в тому числі у зв’язку з антропогенним, що є результатом людської діяльності.

2. Створення наукової основи раціональної експлуатації біологічних ресурсів.

3. Прогнозування змін природи під впливом діяльності людини.

4. Збереження середовища існування людини.

Важливим завданням екології є детальне вивчення за допомогою різних методів основ структури і функціонування природних і створених людиною систем.

2. Методи екологічних досліджень.

Методологічною основою екології як науки про екосистеми є системний підхід. Система, як відомо, це впорядковано взаємодіючі і взаємопов’язані компоненти, що утворюють єдине ціле.

Екологічні системи – складні структури організованої матерії, в яких при об’єднанні компонентів в більші функціональні одиниці виникають нові, або, як їх ще називають, емерджентні властивості екологічного рівня, не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень.

Дійсно, окремі лісові дерева, кущі, трави, гриби, птахи, комахи, звірі мають свої якісні характеристики, але всі разом вони творять нову якість – ліс. Однак, крім емерджентних властивостей кожної системи існують і сукупні властивості.

Виходячи з принципу емерджентності для вивчення цілого не обов’язково знати всі його компоненти. Такий метод вивчення системи називають холістичним.

Крім холістичного методу в науці часто застосовують і редукційний метод, тобто аналіз частин цілого. Ці два методи не протиставляються, а поєднуються. Ідеальне вивчення будь-якого рівня системи – це вивчення тричленної ієрархії: системи, підсистеми, надсистеми.

Системний підхід до вивчення екосистеми вимагає вирішення трьох основних завдань:

1. Вивчення її складових частин і взаємодіючих з нею об’єктів оточуючого середовища;

2. Встановлення структури екосистем, тобто сукупності внутрішніх зв’язків і стосунків, а також зв’язків між екосистемою і оточуючим середовищем;

3. Знаходження функції F, яка визначає характер змін компонентів екосистем і зв’язків між ними під дією зовнішніх об’єктів.

Для вирішення цих трьох завдань використовують три основні групи методів:

1. Польові спостереження;

2. Експеримент в полі і лабораторії;

3. Моделювання.

Екологія – це комплексна наука. Вона використовує широкий арсенал різноманітних методів, які можна поділити на три групи:

1. Методи, за допомогою яких збирається інформація про стан екологічних об’єктів: рослин, тварин, мікроорганізмів, екосистем, біосфери;

2. Методи обробки отриманої інформації, згортання, ущільнення та узагальнення;

3. Методи інтерпретації отриманих фактичних даних.

Будь-яке екологічне дослідження починається зі спостережень, відмітною рисою яких є невтручання спостерігача в перебіг процесів. Такі спостереження можуть здійснюватися, так би мовити, неозброєним оком, що було характерним для екології першої половини ХХ століття.

В останні десятиріччя екологічні спостереження ведуться із застосуванням різноманітних приладів та механічних засобів. Це вже начебто і не спостереження в побутовому значенні цього слова, а отримання інформації про стан об’єктів.

У сучасній екології спостереження за допомогою приладів – один з основних методів дослідження. Шлях до нього був досить довгим – від описів картин природи, чудові взірці яких зустрічаються в працях А. Гумбольта, А. Уоллеса, Ч. Дарвіна в перші половині ХІХ століття, до сучасних комп’ютерних баз даних видового складу, параметрів середовища тих чи інших екосистем.

Для вивчення властивостей природного середовища – повітря, води та ґрунту – застосовуються різноманітні прилади та устаткування, до обслуговування яких доводиться залучати спеціально підготовлені інженерні кадри. Специфічним є також і методи вивчення живих організмів. Для їх реалізації спеціалісти-біологи.

Особливістю сучасних екологічних спостережень за допомогою приладів є комплексність та довгостроковість, коли на одній і тій же ділянці екосистеми ведуться протягом досить великого відрізку часу спостереження за живими організмами та факторами середовища. Для реалізації комплексних спостережень створюються спеціальні стаціонари, що розміщуються в типових і особливо характерних біотопах так, щоб вони давали найбільш характерну інформацію про екосистему.

Крім комплексних спостережень, на стаціонарах може проводитись глобальний моніторинг (спостереження, аналіз) екосистем і біосфери в цілому. Так, серією стаціонарів був організований глобальний моніторинг концентрації вуглекислого газу в атмосфері. За допомогою літаків, супутників та спеціальних ракет проводиться моніторинг стану озонового екрану нашої планети.

Як міждисциплінарну науку екологія широко застосовує метод експерименту.Його суть полягає в тому, що до екосистеми свідомо вноситься якась зміна, і через деякий час зіставляються результати спостережень на контрольній (вона обов’язкова) та експериментальній ділянках екосистеми. Але такі класичні однофакторні експерименти в екології мало реальні. Тут більш доречні багатофакторні експерименти, коли змінюються значення відразу багатьох факторів, а стан екосистеми в кінці експерименту оцінюється за багатьма параметрами.

Прикладом екологічного експерименту може служити внесення мінеральних добрив у замкнену водойму з реєстрацією розміру первинної біопродукції та взаємозв’язків різних груп організмів; штучне витоптування й ущільнення ґрунту в лісах чи на луках для встановлення впливу реакції (відпочинку населення) на цій екосистемі тощо. Широкої популярності набули результати комплексних польових експериментів, проведених у 1956–1964 роках у лісових біогеоценозах під керівництвом В.М. Стукачова.

Всесвітнє значення мають численні експерименти, здійснені в 1964–1974 роках взяли участь учені практично всіх країн світу, і вона дала дуже важливі результати по встановленню основних глобальних закономірностей біопродукційного процесу.

Значну роль в екології відіграють модельні експерименти. Вони проводяться в спеціальних лабораторія, лабораторних установках в полягають у вирощуванні окремих видів рослин чи розведенні тварин у контрольованих екологічних умовах. У результаті таких експериментів було отримано чимало цікавих даних і висновків. Класичними є лабораторні експерименти з інфузоріями. У них уперше було виявлено роль щільності популяції і хижацтва в народжуваності, смертності і підсумковій чисельності особин.

Екологія широко використовує результати стихійних експериментів, які ставить сама природа, або які є наслідком виробничої діяльності людини. Відоме виверження вулкану Кракатау, що сталося на прикінці ХІХ століття, знищило все живе на ряді островів Південно-Східної Азії. Ці острови були використані для вивчення природного ходу зростання та заселення вулканічних покладів. Чимало корисної інформації додає вивчення масових вирубок лісу, створення великих водосховищ.

У результаті спостережень та експериментів у розпорядженні еколога накопичується сукупність наукових факторів. Але за науковий факт не можна приймати результати будь-якого спостереження. Важливим критерієм достовірності результатів спостережень та експериментів є відтворність. Вона досягається, як правило, багаторазовим повторенням спостережень та експериментів. Результати таких повторюваних спостережень або обліків у сукупності складають так звану вибірку.

Відповідне статистичне опрацювання даних дослідження дозволяє оцінити рівень статистичної достовірності результатів та вважати їх науковим фактом.

Певним джерелом фактів для еколога є літературні дані та службова інформація. Використання літературних даних цілком допустиме з урахуванням репутації автора та з посиланням на нього. Складніше буває з використанням службової інформації. Вона нерідко захищена, тому слід отримати дозвіл на ознайомлення з нею. З іншого боку, усім відомі випадки, коли службова інформація упереджено викривлялась чи приховувалась. Населення м. Києва після Чорнобильської аварії не мало своєчасних достовірних відомостей про забруднення радіоактивними речовинами атмосфери та водойм у місті та передмісті. Повністю була прихована від населення південного Уралу інформація про викиди радіоактивних речовин на початку 1950-х років.

Науковий метод. Екологічні дослідження вимагають систематичного дотримання чотирьох послідовних етапів:

Гіпотеза – це науково обґрунтоване припущення, яке базується на спостереженнях, за допомогою якого можна пояснити те чи інше явище.

Для оцінки гіпотези проводять серію експериментів з метою отримання нових результатів, які б підтверджували або ж заперечували гіпотезу. В більшості гіпотез обговорюється ряд факторів, які могли б вплинути на результати наукових спостережень. Ці факти називають змінними.

Гіпотези можна об’єктивно перевірити в серії експериментів, у ході яких почергово виключається по одній із змінних, що впливають на результати наукових спостережень. Вказану серію експерименту називають контрольною. В конкретному випадку перевіряється вплив тільки однієї змінної.

Найвдаліша гіпотеза стає робочою гіпотезою, і якщо вона здатна встояти при спробах її усунення і вдало передбачає раніше не зрозумілі факти і взаємозв’язки, то вона може стати теорією.

Загальний напрям наукового дослідження полягає в досягненні вищих рівнів передбачуваності. Якщо теорію не здатні змінити жодні факти, а відхилення від неї регулярні і передбачувані, то її можна перевести в ранг закону.

В міру збільшення сукупності знань і вдосконалення методів дослідження гіпотези і навіть міцно вкорінені теорії можуть дискутуватися, видозмінюватись і навіть відкидатись. Наукові знання за своєю природою динамічні і народжуються в процесі полеміки, а достовірність наукових методів постійно піддається сумніву.

Питання для самоконтролю

1. Що ви знаєте з історії розвитку екології?

2. Поясніть, що є предметом екології?

3. Чому, на вашу думку, екологічні знання в наш час потрібні працівникам усіх галузей суспільного господарства?

4. В чому полягає метод експерименту в екології, як науці?

5. Поясніть науковий метод дослідження в екології.

6. Що таке гіпотеза?

7. Проаналізуйте справедливість виразу «Людина – частка природи, а не її господар»?